ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2021. № 2
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.2.10
УДК 621.396.96:621.26
Искажения диаграмм направленности фазированных антенных решеток под влиянием периодических и флуктуационных помех
В. М. Артюшенко 1, В. И. Воловач 2
1 Технологический университет, 141070, Московская область, г. Королев, ул. Гагарина, 42
2 Поволжский государственный университет сервиса, 445017, Самарская область, г. Тольятти, ул. Гагарина, 4
Статья поступила в редакцию 16 февраля 2021 г.
Аннотация. Рассмотрены вопросы, связанные с определением искажений диаграмм направленности фазированных антенных решеток под влиянием периодических и флуктуационных мультипликативных (модулирующих) помех. Получены выражения для мгновенных диаграмм направленности по напряжению и по мощности, а также среднее значение диаграммы направленности по напряжению при воздействии периодических мультипликативных помех. Показано, что поскольку фазовые соотношения в названных мгновенных диаграммах изменяются со временем, то диаграмма направленности решетки флуктуирует. Определено условие, при котором структура диаграммы направленности «решетка-диаграмма» «рассыпается». При этом меньшие частоты воздействующих мультипликативных помех приводят к искажению диаграммы: расширяется ее главный максимум, увеличивается уровень боковых лепестков и «сглаживаются» направления бокового приема. Отмечается, что в синтезированных решетках «рассыпание» диаграммы направленности может происходить при сравнительно небольших значениях частоты мультипликативных помех. В решетках с линиями задержки периодические мультипликативные помехи не вызывают существенных искажений диаграмм направленности. Получены выражения для определения средних диаграмм направленности по напряжению и по мощности при воздействии флуктуационных мультипликативных помех, в том числе полученных с использованием корреляционной функции помеховой модуляции. Показано, что при воздействии стационарных мультипликативных помех диаграмма направленности по мощности решетки с фазовращателями представляет собой свертку неискаженной диаграммы в некотором измененном масштабе и энергетического спектра функции помеховой модуляции. Определен верхний предел увеличения ширины главного лепестка диаграммы направленности, вызываемого мультипликативной помехой. Также показано, что по мере уменьшения времени корреляции помехи и увеличения глубины фазовых искажений происходит расширение диаграммы и сглаживание ее боковых лепестков. Отмечается, что для искажений диаграммы направленности синтезированных решеток справедливы все основные положения для фазированных антенных решеток с фазовращателями. Для решеток с линиями задержек при наличии мультипликативных помех не происходит смещения максимума средней по мощности диаграммы направленности независимо от формы энергетического спектра функции помеховой модуляции. Мультипликативные помехи могут вызывать лишь некоторое расширение главного лепестка диаграммы и сглаживание направлений нулевого приема.
Показаны искажения диаграммы направленности решетки при воздействии медленных флуктуационных мультипликативных помехах. Названные искажения определяются изменениями фазы и амплитуды сигнала за время, соответствующее временному сдвигу между сигналами в отдельных элементах решетки, и при медленных мультипликативных помехах искажения невелики. Также показано, что медленные мультипликативные помехи приводят к некоторому уменьшению максимума диаграммы направленности и к сглаживанию диаграммы в области боковых лепестков. При наличии таких помех исчезают направления нулевого приема.
Ключевые слова: фазированная антенная решетка, периодические мультипликативные помехи, флуктуационные мультипликативные помехи, диаграмма направленности, фазовый сдвиг.
Abstract. Issues related to determination of distortions of directional patterns of phased antenna arrays under the influence of periodic and fluctuating multiplicative (modulating) noise are in the focus of the paper. Expressions are obtained for instantaneous directional patterns in terms of voltage and power, as well as the average value of the directional pattern in terms of voltage under the influence of periodic multiplicative noise. So far, since the phase ratios in these instantaneous diagrams change over time, the pattern of the grating fluctuates. The condition is defined under which the structure of the grating pattern «crumbles». At the same time, lower frequencies of acting multiplicative noise lead to distortion of the diagram: its main maximum expands, the level of side lobes increases and lateral reception directions are «smoothed». It is noted that in synthesized arrays, «scattering» of the directional pattern can occur at relatively small values of the frequency of multiplicative noise. In lattices with delay lines, periodic multiplicative noise does not cause significant distortion of the directional patterns. Expressions are obtained for determining average directional patterns by voltage and power under the influence of fluctuating multipath noise, including those obtained using correlation function of noise modulation. It has been shown that under the influence of stationary multiplicative noise, the beam pattern on the power of the grating with phase shifters is a convolution of the undistorted diagram on an undistorted scale and the energy spectrum of the noise modulation function. The upper limit of increasing the width of the main lobe of the beam pattern caused by multiplicative noise is determined. It is also shown that as the noise correlation time decreases and the phase distortion depth increases, the diagram expands and its side lobes smooth. It is noted that for distortions of the directional pattern of synthesized arrays, all the basic provisions for phased antenna arrays with phase shifters are true. For lattices with delay lines in the presence of multiplicative noise, the maximum of the average power of the beam pattern does not shift regardless of the shape of the energy spectrum of the noise modulation function. Multiplicative noise can cause only some expansion of the main lobe of the diagram and smoothing of the zero reception directions. Distortions of the grating pattern when exposed to slow fluctuation multiplicative noise are shown. These distortions are determined by changes in the phase and amplitude of the signal over time corresponding to the time shift between the signals in the individual elements of the array, and with slow multiplicative noise, the distortions are small. It is also shown that slow multiplicative noise leads to some reduction in the maximum beam pattern and to smoothing the pattern in the area of the side lobes. In the presence of such noise, the zero reception directions disappear.
Key words: phased antenna array, periodic multiplicative noise, fluctuating multiplicative noise, directional pattern, phase shift.
Литература
1. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники; 3-е изд., перераб. и доп. Москва, Радио и связь. 1989. 656 с.
2. Миддлтон Д. Введение в статистическую теорию связи. Т. 1, 2. Пер. с англ. Под ред. Левина Б.Р. Москва, Сов. Радио. 1961, 1962. 782 с., 831 c.
3. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. 2-е изд., перераб. и доп. Москва, Радио и связь. 1982. 624 с.
4. Артюшенко В. М., Воловач В. И. Анализ характеристик фазированных и синтезированных антенных решеток при воздействии мультипликативных помех. VII Всероссийская Микроволновая конференция. Сборник трудов. Москва, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. 25-27 ноября 2020 г. С. 149-153.
5. Artyushenko V. M., Volovach V. I. Analysis of the Influence of Periodic and Fluctuating Multiplicative Noise on Distortions of Radiation Patterns of Phased Antenna Arrays. 2020 7th All-Russian Microwave Conference (RMC). Proceedings. Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electonics RAS, Moscow, Russia, November 25–27, 2020. https://doi.org/10.1109/RMC50626.2020.9312365
6. Артюшенко В. М., Воловач В. И. Анализ влияния флуктуационных модулирующих помех на статистические характеристики распределения выходного сигнала линейного фильтра. Журнал радиоэлектроники. [электронный журнал]. 2020. №7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.7.12
7. Бененсон Л.С., редактор. Антенные решетки. Обзор зарубежных работ. Москва, Сов. Радио. 1966. 368 с.
8. Brown W.M., Palermo C.J. Effect of Phase Errors on Resolution. IEEE Trans. on Military Electronics. 1965. Vol.9. No.1. P.4-9. https://doi.org/10.1109/TME.1965.4323169
9. Кремер И.Я. О влиянии модулирующих (мультипликативных) помех на характеристики выходного сигнала оптимального приемника. Радиотехника и электроника. 1972. Т.17. №3. С.68-74.
10. Кремер И.Я., Владимиров В.И., Карпухин В.И. Модулирующие (мультипликативные) помехи и прием радиосигналов. Москва. Сов. Радио. 1972. 480 с.
11. Артюшенко В. М., Воловач В. И. Обнаружение сигналов при воздействии мультипликативных помех на фоне аддитивного шума. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. №7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.7.13
Для цитирования:
Артюшенко В.М., Воловач В.И. Искажения диаграмм направленности фазированных антенных решеток под влиянием периодических и флуктуационных помех. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.2.10