Радиотехника и электроника, 2024, № 7
научный журнал
Покупка
Новинка
Издательство:
Наука
Наименование: Радиотехника и электроника
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 108
Дополнительно
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Российская академия наук РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА Том 69 № 7 2024 Июль Журнал основан в январе 1956 г. Выходит 12 раз в год ISSN 0033-8494 Журнал издается под руководством Отделения физических наук РАН Главный редактор С.А.Никитов Редакционная коллегия: А.Ф. Александров, А.С. Бугаев, Ю.В.Гуляев, В.А. Калошин, В.А. Кашин, Д.С. Лукин, В.Е. Любченко, С.П. Морев, А.О. Раевский (отв. секретарь), М.В. Терешонок, В.А. Черепенин, В.Г. Шавров, В.В. Шевченко, М.С. Ярлыков Адрес редакции: 125009, Москва, ул. Моховая, 11, корп. 7 Институт радиотехники и электроники РАН, редакция журнала “Радиотехника и электроника” Тел. 8-495-6293380 Зав. редакцией И.М. Столярова Москва ФГБУ «Издательство «Наука» © Российская академия наук, 2024 © Редколлегия журнала “Радиотехника и электроника” (составитель), 2024
СОДЕРЖАНИЕ Том 69, номер 7, 2024 ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН Влияние амплитудно-фазовых ошибок и выхода из строя случайных излучающих каналов на характеристики антенной решетки А. А. Измайлов, Е. С. Бахромкина, Г. А. Бейлис 595 Зондирование влажности почвы сверхширокополосными электромагнитными импульсами с борта беспилотного летательного аппарата К. В. Музалевский, С. В. Фомин, А. Ю. Каравайский, З. Ружичка, Ю. А. Лескова, А. Г. Липшин, В. Н. Романов 609 Бипериодическая линейная решетка С. Е. Банков, М. Д. Дупленкова 622 О полосе частот поляризаторов на основе слоистых периодических диэлектрических структур Буй Ван Чунг, В. А. Калошин, Е. В. Фролова 632 РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ Особенности резонансносвязанных магнитоупругих мод в структуре ферромагнетик-диэлектрик В. Н. Шапоров, В. Г. Шавров, В. И. Щеглов 638 ЭЛЕКТРОНИКА СВЧ Разработка лампы бегущей волны w-диапазона с ленточным электронным пучком и замедляющей системой типа сдвоенная гребенка В. Н. Титов, И. А. Чистяков, И. А. Навроцкий, Д. Н. Золотых, Р. А. Торгашов, О. Р. Абрамов, Е. В. Горшкова, В. В. Емельянов, Н. М. Рыскин 648 НАНОЭЛЕКТРОНИКА Определение констант и построение полевых зависимостей параметров структур металл-окисел-полупроводник со сверхтонкими слоями окисла кремния по их экспериментальным высокочастотным вольт-фарадным характеристикам Д. А. Белорусов, Е. И. Гольдман, Г. В. Чучева, И. А. Шушарин 656 Применение модели высокочастотного импеданса структур металл–трехслойный изолирующий промежуток–кремний к характеристикам реальных объектов Д. А. Белорусов, Е. И. Гольдман, Г. В. Чучева 664 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ Формирование контура линии нутации в условиях сильного неоднородного поля в проточных ядерно-магнитных спектрометрах с быстрым изменением скорости потока В. В. Давыдов, А. А. Гольдберг, Р. В. Давыдов 669 Динамика размерного резонанса собственного стимулированного пикосекундного излучения в гетероструктуре AlXGa1-XAs–GaAs–AlXGa1-XAs, в которой это излучение наводит фотонный кристалл и осцилляции населенности электронов Н. Н. Агеева, И. Л. Броневой, А. Н. Кривоносов 678
Особенности системы регистрации и хранения информации многоканального фурье-спектрометра В. А. Вагин, П. С. Мартьянов, А. И. Хорохорин 686 НОВЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ Аппаратно-программный комплекс для исследования внутренней температуры активных элементов мощных лазеров на основе ультразвукового зондирования А. Д. Мансфельд, Г. П. Волков, А. А. Кузьмин, А. В. Купаев, А. Г. Санин, А. А. Шайкин 690
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2024, том 69, № 7, с.595–608 595 ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН УДК 621.396.677 ВВЕДЕНИЕ Неизменной тенденцией в разработке антенных решеток (АР), фазированных антенных решеток (ФАР) и активных фазированных антенных решеток (АФАР) является обеспечение работоспособности и сохранение их радиотехнических характеристик в условиях воздействия шумовых помех, наличия амплитудных и фазовых ошибок по апертуре, выхода из строя нескольких каналов приемных и передающих модулей, а также отказ модулей целиком и т.д. Проблема выхода из строя случайного числа излучающих каналов и их влияние на характеристики АР не раз рассматривалась в целом ряде работ. Например в [1], приведены прямые зависимости уровня боковых лепестков (УБЛ) и коэффициента направленного действия (КНД) для различных амплитудно-фазовых распределений. При этом число вышедших из строя каналов и модулей задается в процентном соотношении распределенных случайным образом по апертуре АР. В работе [2], посвященной амплитудно-фазовым ошибкам, проведен анализ методов определения ошибки установки луча при влиянии амплитудно-фазовых искажений и приведен алгоритм уменьшения СКО позиционирования главного лепестка диаграммы направленности (ДН) [3]. Однако в работе рассмотрено лишь одно амплитудное распределение и не учитывается влияние выхода из строя отдельных элементов на диаграммы направленности и отклонение главного луча [4]. В [5] оценивается вклад, вносимый амплитудно-фазовыми флуктуациями и влияние отказов каналов на характеристики АР. Для вычислений авторы используют градиентный метод оптимизации, основным недостатком которого является то, что полученные энергетические характеристики сильно зависят от имеющейся статистики отказов. Анализ вышедших из строя каналов и модулей АР приведен в [6]: авторами рассмотрены различные формы апертуры антенных решеток, проведено сравнение характеристик АР при выходе из строя отдельных элементов решетки и ее модулей. Ключевым недостатком работы является представление фазовой ошибки смещением на 180°, что в реальных условиВЛИЯНИЕ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ ОШИБОК И ВЫХОД ИЗ СТРОЯ СЛУЧАЙНЫХ ИЗЛУЧАЮЩИХ КАНАЛОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ © 2024 г. А.А. Измайлов*, Е.С. Бахромкина, Г.А. Бейлис Научно-производственное предприятие «Салют», ул. Плеханова, 6, Москва, 111123 Российская Федерация *E-mail: yustas1993@yandex.ru Поступила в редакцию 26.12.2023 г. После доработки 29.03.2024 г. Принята к публикации 05.04.2024 г. Предложен расчет влияния амплитудно-фазовых ошибок, выхода из строя случайного количества излучающих каналов на основные характеристики антенных решеток (АР). В работе представлен алгоритм имитации выхода из строя элементов и модулей АР на основе известных функций амплитудно-фазовых распределений. Рассчитаны качественные характеристики направленности АР в условиях вышедших из строя каналов, модулей и наличия ошибок в амплитудно-фазовых распределениях. Ключевые слова: амплитудно-фазовые ошибки, выход из строя излучающих каналов, выход из строя излучающих модулей, антенная решетка DOI: 10.31857/S0033849424070017, EDN: HZIMBN
ИЗМАЙЛОВ и др. РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 69 № 7 2024 ях не может быть соблюдено, так как величина ошибки носит случайный характер, а наличие флуктуаций в амплитудном распределении не рассматривается. В представленной работе проведен анализ влияния амплитудно-фазовых ошибок на характеристики АР для различных распределений, разработаны алгоритмы выхода из строя случайных излучающих каналов и модулей АР и рассмотрено их влияние на ДН АР. Цель статьи – исследование влияния амплитудно-фазовых ошибок, а также выхода из строя случайных излучающих каналов и модулей на характеристики АР. 1. ФУНКЦИИ АМЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ДН АР В первом разделе анализировались известные специальные функции амплитудного распределения, исходя из которых было принято решение использовать в работе: 1) равномерное распределение и 2) cos2 на пьедестале 0.2. Выбор этих функций обусловлен простотой реализации и наивысшим значением направленности ДН – для равномерного распределения, низким уровнем боковых лепестков порядка 30 дБ – для распределения cos2 на пьедестале 0.2: A A n p 1 1 , , (1) A n N A p P n p 1 1 1 1 1 1 2 2 sin , sin , (2) где Аn, Аp – распределения амплитуды по координате в азимутальной и угломестной плоскостях, Δ – величина пьедестала, равная 0.2; n – диапазон каналов по азимуту, p – диапазон каналов по углу места, N – число каналов по азимуту, P – число каналов по углу места. Ниже приведены характеристики АР с равномерным распределением: КНД, дБ 2θ0.5Е, град 2θ0.5Н, град УБЛЕ, дБ УБЛН, дБ 38.6 1.8 2.5 13.2 13.3 и с распределением cos2 на пьедестале: КНД, дБ 2θ0.5Е, град 2θ0.5Н, град УБЛЕ, дБ УБЛН, дБ 36.7 2.4 3.4 31.6 31.7 Оценка основных характеристик АР осуществляется на примере АР с числом излучающих элементов (каналов) 40x56 в азимутальной и угломестной плоскостях. Шаг между излучателями составляет 0.5λ. На рис. 1 и 2 построены графики реализуемых амплитудных распределений, в зависимости от порядкового номера излучающего элемента n в азимутальной и угломестной плоскостях. Управление положением ДН в пространстве осуществляется функцией с линейным набегом фазы в каждом излучающем канале, где фазы возбуждения каждого излучающего элемента АР изменяются в соответствии со следующей формулой: n p k ndx k p dy sin , sin , (3) где n , p – распределения фазы по координате в азимутальной и угломестной плоскостях соответственно, k – волновое число, dx, dy – расстояние между соседними излучателями, равное шагу 0.5λ, θ, φ – угломестный и азимутальный углы по нормали к апертуре АР. На рис. 3 представлен график фазового распределения без отклонения луча ДН от нормали к апертуре АР. Для дальнейшего удобства в анализе и вычислениях перейдем к дискретному представлению координатной области для построения ДН: I I , , для 3600 i i i I 1 1 , , для (4) где I – число дискретов для построения ДН, , ε+ – значения зоны построения ДН ±90, – величина углового дискрета для построения ДН, εi – массив угловых точек отсчета. Введем функцию, описывающую амплитудно-фазовый множитель АР в двух ортогональных плоскостях: F A j n j F A ni n N p P n p n n p pi n N p P n 1 1 1 1 , , , exp exp , p p n p j p j exp exp , , (5)
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 69 № 7 2024 597 ВЛИЯНИЕ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ ОШИБОК где An, p, Ψn, p – объемное амплитудное и фазовое распределение по элементам решетки соответственно. Перемножив данную функцию с функцией, описывающей диаграмму единичного элемента, получим функцию диаграммы направленности АР: D F F D F F ni i ni pi i pi 20 20 1 1 lg , lg , (6) где F1i – диаграмма единичного элемента. В качестве излучателя был использован гипотетический вибраторный излучатель с диаграммой направленности, показанной на рис. 4. Коэффициент направленного действия и КИП АР определяются известными из литературы выражениями: D A dx dy A dx dy n N p P n p n N p P n p 4 2 1 1 2 1 1 2 , , , (7) КИП n N p P n p n N p P n p A PN A 1 1 2 1 1 2 , , , (8) Рис. 3. Фазовое распределение: 1 – азимутальная плоскость, 2 – угломестная плоскость. Рис. 1. Равномерное амплитудное распределение: 1 – азимутальная плоскость; 2 – угломестная плоскость. Рис. 2. Амплитудное распределение cos2 на пьедестале 0.2: 1 – азимутальная плоскость; 2 – угломестная плоскость.
ИЗМАЙЛОВ и др. РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 69 № 7 2024 Исходя из размеров рассматриваемой апертуры АР была построена теоретическая ДН для равномерного распределения (рис. 5). Видно, что уровень первых боковых лепестков не менее 13 дБ в обеих плоскостях, ширина ДН в азимутальной и угломестной плоскостях 2.5° и 1.8°, КНД не менее 38.6 дБ. На рис. 6 построена одна из возможных ДН для распределения cos2 на пьедестале 0.2. Применение такого распределения позволило реализовать УБЛ не менее 35 дБ в обеих плоскостях, ширину ДН в азимутальной и угломестной плоскостях 3.4° и 2.4° соответственно, КНД не менее 36.7 дБ. 2. МЕТОДИКА ВВЕДЕНИЯ ОШИБОК В АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ Для того чтобы приблизить построенные теоретические ДН (см. разд. 1) к реальным, внесем случайные ошибки в используемые амплитудно-фазовые распределения. Анализ АР различного назначения показал, что величина отклонения параметров АР от заявленных соответствует, как правило, следующим значениям ошибок: по фазе ±11.25°, по амплитуде ±1.5 дБ [7]. Ошибки распределены по апертуре антенны по равномерному закону распределения. На рис. 7а, 7б представлены одни из возможных реализаций равномерного амплитудно-фазового распределения с внесенными случайными ошибками, а на рис. 8а, 8б – одни из возможных реализаций амплитудного распределения cos2 на пьедестале 0.2 и равномерного фазового с внесенными случайными ошибками. На рис. 9 представлена одна из возможных реализаций ДН АР с равномерным распределением и внесенными ошибками. Для понимания влияния случайных ошибок на параметры ДН была реализована выборка из 100 распределений со случайными ошибками, для которых рассчитывались ДН. Исходя из набора полученных данных были записаны максимальные и минимальные значения основных характеристик ДН (табл. 1). Анализируя полученные результаты, делаем вывод, что внесение ошибок в распределения привело к уменьшению КНД на 1.4 дБ, а также к изменению УБЛ на 1 дБ по сравнению с теоретическими результатами. На рис. 10 приведена одна из возможных реализаций ДН АР с распределением cos2 на пьедестале 0.2 и внесенными ошибками. Для данного Рис. 4. Диаграмма направленности единичного излучающего элемента. Рис. 5. Диаграмма направленности с равномерным распределением: 1 – азимутальная плоскость; 2 – угломестная плоскость. Рис. 6. Диаграмма направленности с распределением cos2 на пьедестале 0.2: 1 – азимутальная плоскость; 2 – угломестная плоскость.
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 69 № 7 2024 599 ВЛИЯНИЕ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ ОШИБОК распределения проведен аналогичный анализ, результаты приведены в табл. 2. Анализируя полученные результаты, делаем вывод, что внесение ошибок в распределения привело к падению КНД на 1.4 дБ, а также росту УБЛ до 24 дБ по сравнению с теоретическими результатами. При проектировании АР наряду с наличием амплитудных и фазовых ошибок регистрируются случаи выхода из строя излучающих каналов, приемо-передающих модулей и диаграммообразующих элементов. 3. ИМИТАЦИЯ ВЫХОДА ИЗ СТРОЯ СЛУЧАЙНЫХ ИЗЛУЧАЮЩИХ КАНАЛОВ АР Рассмотрим влияние выхода из строя случайных излучающих каналов на характеристики АР. Для анализа влияния выхода из строя случайных излучающих каналов АР на основные характеристики ДН был реализован алгоритм, имитирующий отказы случайных каналов, посредством обнуления амплитуд в амплитудном распределении этих каналов, а также приведены основные ДН для используемых амплитудно-фазовых распределений [8]. На первом шаге создается пронумерованная матрица элементов АР размерностью [P; N]. Второй шаг заключается в написании алгоритма, обнуляющего случайным образом элементы матрицы [P; N]. Третьим шагом завершается цикл и происходит присвоение нулевого значения ячейке со случайным номером элемента в исходной матрице амплитудных распределений – нулевые значения амплитуды и фазы в излучающем канале (8). Представленный программный код реализован средствами программирования Mathcad: (9) Таблица 1. Основные характеристики АР с равномерным распределением и ошибками на основе выборки из 100 распределений Вид ДН КНД, дБ 2θ0.5Е, град 2θ0.5Н, град УБЛЕ, дБ УБЛН, дБ Теоретический расчет 38.6 1.8 2.5 13.2 13.3 С ошибками ±1.5 дБ, ±11.25° 37.2÷37.6 1.8÷1.9 2.4÷2.5 12.3÷14.0 12.1÷13.9 Таблица 2. Основные характеристики ФАР с распределением cos2 на пьедестале 0.2 и ошибками на основе выборки из 100 распределений Вид ДН КНД 2θ0.5Е, град 2θ0.5Н, град УБЛЕ, дБ УБЛН, дБ Теоретический расчет 36.7 2.4 3.4 31.6 31.7 С ошибками ±1.5 дБ, ±11.25° 35.3÷35.6 2.3÷2.4 3.3÷3.4 24.0÷31.8 25.0÷33.1
ИЗМАЙЛОВ и др. РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 69 № 7 2024 Рис. 7. Равномерные амлитудное (а) и фазовое (б) распределения с ошибками: 1 – азимутальная плоскость; 2 – угломестная плоскость. Рис. 8. Амплитудное распределение cos2 на пьедестале 0.2 с ошибками (а), равномерное фазовое распределение с ошибками (б): 1 – азимутальная плоскость; 2 – угломестная плоскость. Рис. 9. Диаграмма направленности с равномерным распределением и амплитудно-фазовыми ошибками: 1 – азимутальная плоскость; 2 – угломестная плоскость. Рис. 10. Диаграмма направленности с распределением cos2 на пьедестале 0.2 и амплитудно-фазовыми ошибками: 1 – азимутальная плоскость; 2 – угломестная плоскость.
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 69 № 7 2024 601 ВЛИЯНИЕ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ ОШИБОК где x – нули в строках матрицы, y – нули в столбцах матрицы, nerrors – количество вышедших из строя каналов, npos – номер ячейки с вышедшим из строя каналом. Рассмотрим следующие случаи выхода из строя излучающих каналов АР: 5% или 112 отказавших каналов; 15% или 335 отказавших каналов; 30% или 675 отказавших каналов. На рис. 11 представлена одна из 100 выборок апертуры с вышедшими из строя каналами для каждого из упомянутых случаев. На рис. 12 построены ДН с равномерным распределением, в двух главных плоскостях, для одной из возможных реализаций рассматриваемых случаев выхода из строя излучающих каналов. В табл. 3 приведены основные характеристики АР с равномерным распределением и вышедшими из строя каналами. Сравнивая полученные результаты с результатами ДН с ошибками, видим, что с ростом числа вышедших из строя каналов происходит уменьшение КНД на 0.1…2 дБ, при этом УБЛ растет с увеличением числа отказавших каналов. Отказы привели к росту УБЛ до 12.1 дБ. Наряду с ростом боковых лепестков в некоторых случаях наблюдается их падение до уровня 14.5 дБ. Это объясняется тем, на какой позиции по апертуре находились отказавшие каналы, – влияние отказов крайних каналов существенно ниже влияния отказов центральных. Ширина ДН в обеих плоскостях изменилась на ±0.1о. На рис. 13 построены ДН с распределением cos2 на пьедестале 0.2 в двух главных плоскостях для каждого из рассматриваемых случаев выхода из строя излучающих каналов. В табл. 4 приведены основные характеристики АР с распределением cos2 на пьедестале 0.2 и вышедшими из строя каналами. Аналогично случаю с равномерным распределением, рост числа вышедших из строя каналов приводит к уменьшению КНД на 0.2…1.9 дБ, при этом среднеарифметический УБЛ растет с увеличением числа отказавших каналов. Отказы привели к росту УБЛ до 20.1 дБ. Наряду с ростом боковых лепестков, в некоторых случаях наблюдается их падение до уровня 33.1 дБ. Это объясняется тем, на какой позиции по апертуре находились отказавшие каналы – влияние отказов крайних каналов существенно ниже влияния отказов центральных. Ширина ДН в обеих плоскостях изменилась на ±0.1о. Таблица 3. Основные характеристики АР с равномерным распределением с ошибками и вышедшими из строя каналами Вид ДН КНД, дБ 2θ0.5Е, град 2θ0.5Н, град УБЛЕ, дБ УБЛН, дБ Теоретический расчет 38.6 1.8 2.5 13.2 13.3 С ошибками ±1.5 дБ, ±11.25° 37.2÷37.6 1.8÷1.9 2.4÷2.5 12.3÷14.0 12.1÷13.9 С ошибками ±1.5 дБ, ±11.25° и 5% отказавшими каналами (112) 37.0÷37.1 1.8÷1.9 2.4÷2.5 12.6÷14.1 12.6÷14.0 С ошибками ±1.5 дБ, ±11.25° и 15% отказавшими каналами (336) 36.5÷36.7 1.8÷1.9 2.4÷2.5 12.7÷13.7 12.2÷14.4 С ошибками ±1.5 дБ, ±11.25° и 30% отказавшими каналами (672) 35.6÷35.8 1.8÷1.9 2.4÷2.5 12.3÷13.8 12.1÷14.5 Таблица 4. Основные характеристики АР с распределением cos2 на пьедестале 0.2 с ошибками и вышедшими из строя элементами Вид ДН КНД, дБ 2θ0.5Е, град 2θ0.5Н, град УБЛЕ, дБ УБЛН, дБ Теоретический расчет 36.7 2.4 3.4 31.6 31.7 С ошибками ±1.5 дБ, ±11.25° 35.3÷35.6 2.3÷2.4 3.3÷3.4 24.0÷31.8 25.0÷33.1 С ошибками ±1.5 дБ, ±11.25° и 5% отказавшими каналами (112) 35.1÷35.3 2.3÷2.4 3.3÷3.4 24.0÷31.8 25.0÷33.1 С ошибками ±1.5 дБ, ±11.25° и 15% отказавшими каналами (336) 34.6÷34.9 2.3÷2.4 3.3÷3.4 24.0÷31.7 24.6÷32.1 С ошибками ±1.5 дБ, ±11.25° и 30% отказавшими каналами (672) 33.7÷34.1 2.4÷2.5 3.4÷3.5 25.5÷32.0 20.1÷29.9