エミッターシステムのサイドローブのレベルを低減する方法。 dl および prl 図のサイドローブの抑制 dl lar の式の導出

27.10.2021

理想的には、アンテナによって衛星に向けられるビームは、尖った鉛筆のような形状である必要があります。残念ながら、この場合の波長はアンテナの口径 (直径) に比べて小さいため、固定焦点は実際には正確ではありません。これにより、メインビームがわずかに発散し、軸外信号の不要なピックアップが発生します。結果として生じる極性パターンは、と呼ばれる狭いビームで構成されます。 主な花びらそして、より小さな振幅の一連のサイドローブ。

典型的な放物線状の放射パターン
極座標系の反射体

極座標図は解釈が難しい場合が多いため、直交座標系が推奨されます。周波数 11 GHz、直径 65 cm の均一に照射されたアンテナの正規化された理論上の信号特性を次の図に示します。

実際、上に挙げた要因が不均一性を引き起こす原因となります。この特性ただし、表示される依存関係の全体像は変わりません。

バックグラウンドノイズは主にサイドローブを介してアンテナシステムに侵入するため、メインローブの振幅と比較してサイドローブを可能な限り小さく保つ必要があります。均一に照射されたアンテナは、理論的には、メインローブの最大値よりも約 -17.6 dB 低い位置に、これらのサイドローブの最初で最大のものを生成します。

実際には、照射が均一になることはほとんどありません。放射線分布の精度は、設置されている照射器の種類によって異なります。これは、アンテナシステムの実効面積または効率の概念につながります。言い換えると、最大の部分信号強度はミラーの中央部分から収集され、アンテナの外縁に向かって減少します。したがって、アンテナ反射板の弱い開口部は、背景ノイズに対する保護として機能します。

ミラーへの照射が不完全（不十分）になると、最初のレベルが低下します。サイドローブ-20 dB 未満に抑え、バックグラウンドノイズの影響を軽減します。一見すると、このソリューションは理想的であるように見えますが、アンテナゲインの低下とそれに伴うビーム幅 (メインローブ) の増加という、いくつかの望ましくない結果が生じます。アンテナの放射パターンの主な特性は、半電力レベルでの幅です。これは、-3 dB レベルでのパターンのメインローブの幅として計算されます。特定のメインローブレベルでのビーム幅の計算に使用される方程式は非常に複雑で、実行には時間がかかります。ただし、-3 dB でのメインローブの幅、最初のサイドローブの振幅、最初のヌル (放射パターンのノッチ) の位置などのパラメータは、確立された方法露出は、次の表に示す式を使用して簡単に計算できます。コサイン分布は平均に近いため、受信した照射モードが不明な場合は、-3 dB ビーム幅を計算する際の最初の近似値として使用できます。

開口部に金属ストリップを配置することにより、ミラーアンテナのサイドローブのレベルを低減します。

Akiki D.、Biayneh V.、Nassar E.、Harmush A.、

ノートルダム大学、トリポリ、レバノン

導入

モビリティが増大する世界では、情報の所在場所や個人に関係なく、人々が情報に接続してアクセスする必要性が高まっています。これらの考察から、電気通信、すなわち長距離にわたる信号の伝送が緊急の必要性であることを否定することはできません。要件無線システム完璧さと遍在性とのつながりにより、ますます開発する必要性が生じます。効率的なシステム。システムを改善する場合、主な最初のステップは、現在および将来のシステムの主要要素であるアンテナを改善することです。無線通信。この段階では、アンテナパラメータの品質を改善することで、放射パターンのサイドローブのレベルが低下することがわかります。当然のことながら、サイドローブのレベルを下げても、図のメインローブには影響が及ばないはずです。受信として使用されるアンテナの場合、サイドローブによってシステムが漂遊信号に対してより脆弱になるため、サイドローブレベルを下げることが望ましいです。送信アンテナでは、信号が望ましくない受信者によって受信される可能性があるため、サイドローブにより情報セキュリティが低下します。主な問題は、サイドローブレベルが高くなるほど、最高レベルのサイドローブの方向での干渉の可能性が高くなるということです。さらに、サイドローブレベルの増加は、信号電力が不必要に消費されることを意味します。多くの研究が行われていますが (たとえば、「」を参照)、この記事の目的は、シンプルで効果的で低コストであることが証明されている「ストリップ位置決め」方法を検討することです。任意のパラボラアンテナ

この方法 (図 1) を使用して開発または変更することもでき、アンテナ間の干渉を軽減できます。

ただし、サイドローブを低減するには、導電性ストリップを非常に正確に配置する必要があります。この論文では、「ストリップ位置決め」方法を実験によってテストします。

タスクの説明

問題は次のように定式化される。特定のパラボラアンテナ (図 1) では、最初のサイドローブのレベルを下げる必要があります。アンテナの放射パターンは、アンテナの開口励起関数のフーリエ変換に他なりません。

図では、図 2 は、ストライプなし (実線) とストライプあり (* で示された線) の 2 つのパラボラアンテナの図を示しています。ストライプを使用すると、最初のサイドローブのレベルは低下しますが、2 番目のサイドローブのレベルは低下するという事実を示しています。メインローブも減少し、残りの花びらのレベルも変化します。これは、ストライプの位置が非常に重要であることを示しています。半分の電力でのメインローブの幅やアンテナゲインが著しく変化しないようにストリップを配置する必要があります。後葉のレベルも目立って変化しないはずです。残りの花びらのレベルの増加は、通常、最初のサイドローブのレベルよりもはるかに簡単に下げることができるため、それほど顕著ではありません。ただし、この増加は中程度である必要があります。この図も思い出してみましょう。図２は例示的なものである。

上記の理由により、「ストリップ位置決め」方法を使用する場合は、次のことに留意する必要があります。電場を完全に反射するには、ストリップは金属でなければなりません。この場合、縞の位置を明確に決定することができる。現在、サイドローブレベルの測定は

米。 2. 縞模様のないアンテナ放射パターン (実線)

そして縞模様（

米。 3. 理論上の正規化された放射パターン (dB)

理論的方法と実験的方法という 2 つの方法が使用されます。どちらの方法も相互に補完しますが、私たちの証拠は破損のないアンテナとストライプのあるアンテナの実験図の比較に基づいているため、この場合実験的な方法を使っていきます。

A. 理論的な方法。このメソッドは次のもので構成されます。

テスト対象のアンテナの理論上の放射パターン (RP) を見つけます。

このパターンのサイドローブの測定値。

パターンは、アンテナの技術文書から取得することも、たとえば、Ma1!ab プログラムを使用して、またはその分野の既知の関係を使用する他の適切なプログラムを使用して計算することもできます。

テスト対象のアンテナとして P2P-23-YHA ミラーパラボラアンテナを使用しました。 DP の理論値は、均一励起の円形開口の公式を使用して取得されました。

]ka2E0e іkg Jl (ka 8Іпв)

測定と計算は E 面で実行されました。図では、図 3 は、極座標系で正規化された放射パターンを示しています。

B. 実験方法。実験方法では、2 つのアンテナを使用する必要があります。

テスト中の受信アンテナ、

送信アンテナ。

テスト対象のアンテナのパターンは、アンテナを回転させ、必要な精度でフィールドレベルを固定することによって決定されます。精度を向上させるには、読み取りをデシベル単位で実行することが望ましいです。

B. サイドローブのレベルを調整します。定義上、最初の側の花びらは主の花びらに最も近いものです。それらの位置を修正するには、主放射の方向と最初の左または右ローブの最大放射の方向の間の角度を度またはラジアンで測定する必要があります。パターンの対称性により、左右のサイドローブの方向は同じであるはずですが、実験的なパターンではそうでない場合があります。次に、サイドローブの幅も決定する必要があります。これは、サイドローブの左右のパターンゼロの差として定義できます。ここでも対称性を期待する必要がありますが、それは理論的にのみです。図では、図5は、サイドローブパラメータを決定するための実験データを示しています。

一連の測定の結果、P2P-23-YXA アンテナのストリップの位置が決定されました。これは、アンテナの対称軸からストリップまでの距離 (1.20-1.36)^ によって決まります。

サイドローブパラメータを決定した後、ストライプの位置が決定されます。対応する計算は、以下で説明し、図に示す同じ方法を使用して、理論的パターンと実験的パターンの両方に対して実行されます。 6.

定数 d - パラボラアンテナの対称軸から放物面ミラーの開口部の表面にあるストリップまでの距離は、次の関係によって決定されます。

「d」<Ф = ъ,

ここで、dはミラー表面の対称点からストリップまでの実験的に測定された距離です（図5）。 0 - 主放射の方向と実験的に見つかったサイドローブの最大方向との間の角度。

C 値の範囲は次の関係によって求められます: c! = O/dv

値 0 は、サイドローブの始まりと終わりに対応します (パターンのゼロに対応します)。

範囲 C を決定した後、この範囲をいくつかの値に分割し、その中から実験的に最適な値を選択します。

米。 4. 実験のセットアップ

米。 5. サイドローブパラメータの実験による決定 6. ストリップの位置決め方法

結果

ストリップのいくつかの位置がテストされました。ストリップをメインローブから遠ざけるが、見つかった範囲 C 内に移動すると、結果が改善されました。図では、図 7 はストライプなしとストライプありの 2 つのパターンを示しており、サイドローブのレベルが明らかに低下していることがわかります。

テーブル内表１は、サイドローブのレベル、指向性、メインローブの幅に関するパターンの比較パラメータを示している。

結論

ストライプ使用時のサイドローブのレベルの低減 - 23 dB (ストライプなしのアンテナのサイドローブのレベル -)

12.43dB）。主な花びらの幅はほとんど変わりません。ここで説明する方法は、どのアンテナにも適用できるため、非常に柔軟です。

ただし、パターン上の地面や周囲の物体の影響に関連するマルチパス歪みの影響により、サイドローブのレベルが最大 22 dB 変化するという問題があります。

ここで説明する方法は簡単で、安価で、短時間で完了できます。以下では、さまざまな位置にストライプを追加して、吸収ストライプを調べてみます。さらに、幾何回折理論の方法を使用して問題の理論的分析の作業が実行されます。

アンテナ P2F-23-NXA の遠方界放射パターンの線形振幅 - 極プロット

米。 7. DN アンテナ P2F-23-NXA ストライプなしおよびストライプあり

アンテナ比較パラメータ

サイドローブレベル

技術文書に基づく理論的パターン (プログラム Ma11a) パターン 18 dB 15 dB

ストライプなしの測定パターン 12.43 dB

ストライプのある測定パターンマルチパスありマルチパスなし

メインローブ幅 (度単位) D D、dB

理論DN (プログラムMa^ab) 16,161.45 22.07

技術文書の DN 16,161.45 22.07

ストライプなしの測定パターン 14,210.475 23.23

縞模様の測定パターン 14,210.475 23.23

文学

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電圧放射パターンのバックローブとサイドローブのレベル γυ は、受信中のアンテナ端子でのバックローブまたはサイドローブの最大値側からの EMF と最大値側からの EMF の比として定義されます。メインローブの。アンテナにサイズの異なる複数のバックローブとサイドローブがある場合、通常は最大のローブのレベルが示されます。バックローブとサイドローブのレベルは、バックローブとサイドローブのレベルを電圧で二乗することにより電力（γ P ）によって決定することもできます。図に示す放射パターンでは、図 16 では、バックローブとサイドローブは同じレベルで、EMF では 0.13 (13%)、パワーでは 0.017 (1.7%) に相当します。指向性受信テレビアンテナのバックローブとサイドローブは通常、0.1 ～ 0.25 (電圧) の範囲にあります。

文献では、受信テレビアンテナの指向特性を説明する際、バックローブとサイドローブのレベルが、テレビチャンネルの中間周波数と極周波数におけるローブのレベルの算術平均に等しいと示されることがよくあります。 3 番目のチャネル (f = 76 ... 84 MHz) のアンテナパターンのローブのレベル (EMF による) が次のようになると仮定します。周波数 75 MHz - 0.18。 80MHz - 0.1; 84MHz - 0.23。花びらの平均レベルは (0.18+0.1+0.23)/3、つまり 0.17 になります。アンテナのノイズ耐性は、テレビチャンネルの周波数帯域内で平均レベルを大幅に超えるローブのレベルに鋭い「スパイク」がない場合にのみ、ローブの平均レベルによって特徴付けることができます。

垂直偏波アンテナのノイズ耐性に関して重要な注意が必要です。図に示す放射パターンを見てみましょう。この図では、水平面内の水平偏波アンテナの典型的なものであり、メインローブがゼロ受信の方向によってバックローブおよびサイドローブから分離されている。垂直偏波アンテナ (たとえば、垂直振動子を備えた「ウェーブチャネル」アンテナ) は、水平面内でゼロの受信方向を持ちません。したがって、この場合のバックローブとサイドローブは明確に定義されておらず、ノイズ耐性は実際には、前方方向から受信した信号レベルと後方方向から受信した信号レベルの比として定義されます。

ゲイン係数。アンテナの指向性が高くなるほど、つまりメインローブの開き角が小さくなり、放射パターンのリアローブとサイドローブのレベルが低くなるほど、アンテナ端子でのEMFが大きくなります。

対称的な半波長振動子が電磁場内の特定の点に、最大受信方向に向けて配置されている、つまり、その長手軸が電波の到来方向に対して垂直になるように配置されていると想像してみましょう。受信点の電界強度に応じて、振動子に接続された整合負荷で特定の電圧 Ui が発生します。次に載せてみましょう！フィールド内の同じ点で、半波振動子の代わりに、最大受信を指向するより大きな指向性を備えたアンテナ、たとえば「ウェーブチャネル」タイプのアンテナを使用します。その指向性パターンは図に示されています。 16. このアンテナには半波振動子と同じ負荷があり、それと整合していると仮定します。「ウェーブチャネル」アンテナは半波長バイブレータよりも指向性が高いため、その負荷 U2 にかかる電圧は大きくなります。電圧比 U 2 /'Ui は、4 素子アンテナの電圧利得 Ki 、または別の言い方をすれば「場」です。

したがって、アンテナの電圧または「フィールド」ゲインは、整合した負荷でアンテナによって発生する電圧と、それに整合する半波振動子によって同じ負荷で発生する電圧の比として定義できます。両方のアンテナは電磁場の同じ点に配置され、最大の受信方向を向いていると考えられます。電力ゲイン Kp の概念もよく使用されます。これは電圧ゲインの 2 乗に等しい (K P = Ki 2)。

ゲインを決定する際には、2 つの点を重視する必要があります。まず、異なる設計のアンテナを相互に比較するために、それぞれのアンテナを同じアンテナ (基準アンテナとみなされる半波長振動子) と比較します。第 2 に、ゲインによって決まる電圧または電力のゲインを実際に得るには、アンテナを受信信号の最大値に向ける必要があります。つまり、放射パターンのメインローブの最大値がアンテナの方向を向くようにする必要があります。電波の到来。ゲインはアンテナの種類と設計によって異なります。説明のために「ウェーブチャネル」タイプのアンテナに目を向けましょう。このアンテナの利得は、ダイレクタの数とともに増加します。 4 素子アンテナ (反射板、アクティブ振動子、および 2 つの導波器) の電圧利得は 2 です。 7 要素 (リフレクター、アクティブバイブレーター、および 5 つのディレクター) - 2.7。これは、半波ではなく、

バイブレータは 4 素子アンテナを使用します)、テレビ受信機の入力電圧は 2 倍 (電力は 4 倍)、7 素子アンテナでは 2.7 倍 (電力は 7.3 倍) 増加します。

アンテナ利得の値は、半波振動子またはいわゆる等方性エミッタに関連して文献に示されています。等方性ラジエーターは、指向性特性が完全に欠如した架空のアンテナであり、空間放射パターンは対応する球の形状を持ちます。等方性エミッターは自然界には存在せず、そのようなエミッターは、さまざまなアンテナの指向特性を比較できる便利な基準にすぎません。等方性エミッタに対する半波振動子の計算された電圧ゲインは 1.28 (2.15 dB) です。したがって、等方性エミッタに対するアンテナの電圧利得がわかっている場合は、それを 1.28 で割ります。半波振動子に対するこのアンテナのゲインを取得します。等方性ドライバーに対するゲインがデシベルで指定されている場合、半波バイブレーターに対するゲインを決定するには、2.15 dB を減算します。たとえば、等方性エミッタに対するアンテナの電圧ゲインは 2.5 (8 dB) です。この場合、半波振動子に対する同じアンテナの利得は 2.5/1.28、つまり 1.95^ となり、デシベルでは 8-2.15 = 5.85 dB となります。

当然のことながら、1 つまたは別のアンテナによって与えられる TV 入力での信号レベルの実際のゲインは、どの基準アンテナ (半波バイブレータまたは等方性エミッタ) に対してゲインが指定されているかには依存しません。本書では、ゲイン値は半波振動子に関連して示されています。

文献では、アンテナの指向特性は、アンテナに損失がないことを条件として、負荷における信号電力の利得を表す指向性係数によって評価されることがよくあります。方向係数は次の関係により電力利得 Kr に関係します。

受信機の入力で電圧を測定する場合、同じ式を使用して受信位置での電界強度を決定できます。

サイドローブからの要求を抑制するために、メインローブとサイドローブの放射線のエネルギーレベルの差が利用されます。

1.2.1. 管制塔の指向性パターンのサイドローブからの要求の抑制は、いわゆるスリーパルスシステムを使用して実行されます（図2*を参照）。

米。 2 3パルス方式によるDRLサイドローブからのリクエストの抑制

指向性レーダーアンテナから発信される 2 つの要求コードパルス P1 および РЗ に、別の全方向性アンテナ (抑制アンテナ) から発信される 3 番目のパルス P2 (抑制パルス) が追加されます。時間抑制パルスは、リクエストコードの最初のパルスから 2 μs 遅れます。抑制アンテナ放射のエネルギーレベルは、受信サイトでの抑制信号のレベルがサイドローブによって放射される信号のレベルよりも明らかに大きく、メインローブによって放射される信号のレベルよりも低くなるように選択されます。。

トランスポンダは、コードパルス P1、РЗ と抑制パルス P2 の振幅を比較します。サイドローブ方向で質問コードを受信した場合、抑圧信号レベルが質問コード信号レベル以上の場合は無応答となる。 P1、RZ のレベルが P2 のレベルより 9 dB 以上大きい場合にのみ応答します。

1.2.2. 着陸レーダーパターンのサイドローブからの要求の抑制は、BPS ブロックで実行され、変動しきい値を使用した抑制方法が実装されます (図 3 を参照)。

図3 応答信号のパケットの受信
フローティングしきい値の抑制システムを使用する場合

この方法は、BPS で慣性追跡システムを使用し、放射パターンのメインローブから受信した信号のレベルが電圧の形で保存されるという事実にあります。サイドローブ信号のレベルを超える所定のレベルに対応するこの電圧の一部がアンプの出力で閾値として設定され、次の照射では要求信号がこの閾値の値を超えた場合にのみ応答が行われます。。この電圧はその後の照射で調整されます。

1.3. 応答信号の構造

情報の任意のワードを含む応答信号は、座標コード、キーコード、および情報コードで構成されます (図 4a* を参照)。

図4 レスポンスコードの構造

座標コードは 2 パルスであり、その構造は情報のワードごとに異なります (図 4b、c* を参照)。

キーコードは 3 パルスであり、その構造は情報のワードごとに異なります (図 4b、c* を参照)。

情報コードには 40 個のパルスが含まれており、20 ビットのバイナリコードを構成します。各放電（図 4a、d を参照）には、160 μs の間隔をあけた 2 つのパルスが含まれます。 1 つの放電のパルス間の間隔は、他の放電のパルスで埋められます。各ビットは、文字「1」または文字「0」の 2 進情報を伝えます。 SO-69 トランスポンダでは、アクティブポーズ方式を使用して 2 つのシンボルを送信します。シンボル「0」は、シンボル「1」を示すパルスが送信される瞬間より 4 μs 遅れて送信されます。伝わった。各桁（「1」または「0」）の 2 つの可能なパルス位置が×印で示されています。連続する 2 つの「1」(または「0」) シンボル間の時間間隔は 8 μs と仮定されます。したがって、連続するシンボル「1」と「0」の間の間隔は 12 μs となり、シンボル「0」の後にシンボル「1」が続く場合、パルス間の間隔は 4 μs になります。

最初のビットは単一パルスを送信します。これは、4 μs 遅延した場合は 1 を表し、8 μs 遅延した場合は 0 を表します。 2 番目のビットも 1 つのパルスを送信します。前のビットに対して 4 μs 遅れた場合は 2、8 μs 遅れた場合は 0 になります。 3 桁目は 4 と 0 を送信します。また、その位置に応じて、4 桁目は 8 と 0 を送信します。

したがって、たとえば、数字 6 は、2 進数表記の数字 0110、つまり合計 0+2+4+0 として送信されます (図 1 を参照)。

160 μs で送信された情報は、次の 160 μs で再度送信されるため、情報送信のノイズ耐性が大幅に向上します。

アンテナ放射パターンのサイドローブレベル (SLL) は、サイドローブの方向のアンテナ放射の相対 (最大放射パターンに正規化された) レベルです。通常、UBL はデシベルで表されますが、あまり一般的ではありませんが、UBL は「電力による」または「フィールドによる」と定義されます。
実際の (有限サイズ) アンテナのパターンは、パターンのメインローブの中心であるグローバル最大値、パターンの他のローカル最大値、および対応するいわゆるサイドが特定される振動関数です。パターンのローブ。「横方向」という用語は、文字通り（花びらが「横に」向いている）という意味ではなく、横方向と理解されるべきです。 DN 花びらには、番号 0 が割り当てられたメインの花びらから順に番号が付けられます。まばらなアンテナアレイに現れるパターンの回折 (干渉) ローブは、横方向とはみなされません。パターンのローブを分離するパターンの最小値はゼロと呼ばれます (パターンのゼロの方向の放射線レベルは任意に小さくできますが、実際には放射線は常に存在します)。横方向の放射領域は、手前のサイドローブの領域 (パターンのメインローブに隣接)、中間の領域、および後側のサイドローブの領域 (後部半球全体) のサブ領域に分割されます。
UBL とは、パターンの最大サイドローブの相対レベルを意味します。一般に、最大のサイドローブは、最初の (メインに隣接する) サイドローブです。指向性が高いアンテナの場合、側面放射の平均レベルも使用されます (最大値に正規化されたパターンが側面放射のセクターで平均化されます)。角度）および遠い側のローブのレベル（後ろ側の花びらの領域における最大のサイドローブの花びらの相対的なレベル）。
縦方向放射アンテナの場合、「後方」方向（放射パターンのメインローブの方向と反対の方向）の放射レベルを評価するには、相対的な後方放射レベルパラメータが使用されます（英語のfront/backから、 F/B - 前方/後方比)、UBL を推定する場合、この放射線は考慮されません。また、「横」方向（パターンのメインローブに垂直な方向）の放射線レベルを評価するには、相対的な側方放射線パラメータ（英語のfront/side、F/S - 前方/側面比）を評価します。が使用されます。
UBL および放射パターンのメインローブの幅は、無線工学システムの分解能とノイズ耐性を決定するパラメータです。したがって、アンテナ開発の技術仕様では、これらのパラメータが非常に重要視されます。ビーム幅と UBL は、アンテナの動作時と動作中の両方で制御されます。