§ 2.3. Параметры антенных устройств, используемые при анализе эмс рэс

Пусть имеется совокупность двух РЭС, влияющих друг на друга посредством излучения и приёма электромагнитного поля их антенными устройствами A₁ и A₂ (рис.2.4).

Каждая из антенн соединяется с приёмником или передатчиком своим фидерным трактом. Обозначим штрих-пунктиром некоторые входные сечения этих фидерных трактов, называемых входами антенных устройств (сечения 1 и 2) и антенн (сечения 1’, 2’).Понятие “вход” с электродинамической точки зрения определено однозна­чно, если в заданном сечении фидерного тракта существует только один тип волны. Такая ситуация характерна для рабочего диапазона частот рассматриваемого фидерного тракта и для более низких частот. На частотах выше рабочей частоты в выбранных сечениях фидерных трак­тов могут существовать несколько типов волн, что эквивалентно наличию нескольких электродинамических входов: каждому типу волны соответствует свой вход. Итак, пусть на произвольной частоте f антенное устройство A₁ имеет n входов, а антенное устройство A₂ - m входов. Введём воображаемый многополюсник S (показан пунктиром на рис.2.5), входы которого образованы входами антенных устройств A₁ и A₂.

Матрица рассеяния [ S ] этого многополюсника и её зависимость от частоты f в пределах всего частотного спектра колебаний обоих радиопередающих устройств содержит наиболее полную информацию о параметрах ЭМС антенных устройств, взаимовлияющих друг на друга РЭС. Представим матрицу рассеяния [ S(f) ] в блочном виде

где матрицы и описывают коэффициенты передачи с n входов антенного устройства A₁ на m входов антенного устройства A₂ и наоборот, а матрицы и характеризуют рассогласования по n входам антенного устройства A₁ и m входам A₂, определяемые с учётом реакции соседней антенны, как пассивного рассеивателя. Рассмотрим ситуацию, когда антенна A₁ передающая, а A₂ - приёмная. Обозначая через вектор-столбец комплексных амплитуд напряжений падающих на n входов антенного устройства A₁ волн, определим вектор-столбец амп­литуд, отражённых на этих входах, и вектор-столбец амплитуд, прошедших на m входы антенного устройства А₂:

(2.9)

Из соотношений (2.9) следует, что с позиций ЭМС РЭС наибольший интерес представляет блок матрицы рассеяния , т.к. зная эту матрицу, можно по известному сигналу на входах антенны А₁ определить сигнал помехи, проходящий на входы антенны А₂. Соответственно при возбуждении входов антенны А₂ вектором-столбцом падающих волн сигнал помехи на входах антенны А₁ определяется блоком матрицы рассеяния

а рассогласование входов антенны А₂ - блоком матрицы

(2.10)

Если антенные устройства А₁ и А₂ и среда, в которой они расположены, являются взаимными, то

(2.11)

где индекс t обозначает операцию транспонирования.

Матрицы и представляют интерес при анализе ЭМС РЭС только для очень близко расположенных антенн, когда антенна соседнего РЭС может оказать существенное влияние, как пассивный рассеиватель, на согласование антенного входа основного РЭС. При расстоянии между антеннами соседних РЭС в несколько длин волн матрицы и мало отличаются от соответствующих блоков матриц рассеяния антенн уединённых РЭС.

Поэтому в дальнейшем более подробно рассмотрим матрицу

, которую можно назвать матрицей ЭМС антенных устройств. Заметим, что размерность этой матрицы зависит от частоты f . В частном случае, когда обе антенны соседних РЭС имеют по одному входу, матрица вырождается в коэффициент , имеющий физический смысл коэффициента передачи по напряжению с входа антенны А₁ на вход антенны А₂ на частоте f

(2.12)

Для определения матрицы представим фидерные тракты ФТ₁, ФТ₂, антенны А₁, А₂ и среду, в которой они расположены, в виде соответствующих многополюсников (рис.2.6).

Входами 1,...,n , 1’,...,n’ , 1’,...,m’ , 1,...,m многополюсников фидерных трактов ФТ₁ и ФТ₂ являются реальные или электродинамические входы фидерных трактов или распределительных систем антенн А₁ и А₂ по каждому из учитываемых в них типов волн. В качестве входов 1”,...,n” , 1”,...,m” антенн можно выбрать поле излучения любых линейно-независимых распределений поля (тока) в раскрыве (на поверхности) антенн. Размерность этих линейно-независимых распределений поля (тока) в антеннах должна быть достаточной, чтобы полно представить произвольное распределение поля (тока) на часто­те f в антенне в виде суммы линейно-независимых распределений. В частности, в качестве линейно-независимых распределений поля (тока) в антеннах могут быть распределения, соответствующие всем учитываемым типам волн в распределительных системах антенн А₁ и А₂.

Многополюсник среды характеризует передачу электромагнитного поля с входов 1”,...,n” передающей антенны А₁ на входы 1”,...,m” приёмной антенны А₂ , и наоборот.

Матрица рассеяния многополюсника среды может учитывать наличие в среде различных препятствий, а также объектов, на которых расположены антенны А₁ и А₂ .

Если каким-либо образом удастся определить матрицы рассеяния каждого из выделенных выше многополюсников

то матрица объединённого многополюсника , а следовательно, и блок этой матрицы вычисляются по известным правилам вычисления матриц соединяемых многополюсников [1].

Существуют эффективные численные методы электродинамики, позволяющие определять матрицы рассеяния многих типов фидерных линий устройств СВЧ и антенн. Однако, как правило, эти методы рассчитаны на использование на основной (рабочей) частоте. Анализу матриц рассеяния этих устройств за пределами рабочего диапазона частот посвящены единичные работы.

Поэтому, несмотря на то, что в соответствии с соотношением (2.9), матрица позволяет полностью определить вектор напряжений непреднамеренной помехи от соседней РЭС на входе приём­ного устройства, матрица ЭМС ещё не нашла в теории ЭМС достойного применения.

Более широко используемым параметром при анализе ЭМС РЭС яв­ляется коэффициент связи (f) антенных устройств. В случае одномодового режима на входах антенно-фидерных устройств обоих РЭС коэффициент связи определяется через отношение мощностей

(2.13)

где P_пад1(f) - мощность на входе антенного устройства РЭС 1, работающего в режиме передачи на частоте f, P_отр2(f) - мощность, проходящая на вход антенного устройства РЭС 2.

Учитывая, что мощности падающей на вход 1 и проходящей на вход 2 волны

где W₁ , W₂ - волновые сопротивления линий, подходящих ко входам 1, 2, найдём

(2.14)

Если количество антенных входов больше одного, то по аналогии с (2.13) можно ввести понятия парциального коэффициента связи _{АУ mn}(f) между m-ым и n-ым входами многополюсника

(2.15)

Соответственно полная мощность P_{отр m}(f) , проходящая на m-ый вход антенны А₂ при возбуждении всех N входов антенны А₁ будет определяться следующим образом:

(2.16)

Если сигналы, приходящие на m-ый вход антенны А₂ от

n = 1,…,N входов антенны А₁ некоррелированы между собой (из-за случайного характера как напряжений на входах U_{пад n} , так и коэффициентов связи _{АУ mn} ), то P_{отр m}(f) является случайной величиной и её среднее значение равно

(2.17)

где черта обозначает знак усреднения.

Из соотношений (2.16)-(2.17) следует, что коэффициент связи являет­ся более частным параметром, характеризующим ЭМС антенных устройств, т.к. позволяет определить мощность непреднамеренной помехи или в случае одномодовых входов антенн или при условии некоррелированности (некогерентности) сигналов, поступающих на разные входы пере­дающей антенны. Однако из-за громоздкости и сложности вычислений матрицы рассеяния антенных устройств в современной теории и практике ЭМС РЭС в основном используется коэффициент связи антенных устройств. Если в зоне взаимного воздействия расположено несколько (N) РЭС с одномодовыми антенными входами, то, обозначая через _{АУ mn}(f) коэффициент связи между устройствами m-ой и n-ой РЭС и, предполагая некоррелированность излучаемых сигналов, мощность, проходящую на вход антенны А_m , можно определить по соотношению (2.17), в котором суммирование осуществляется по всем работающим в режиме передачи РЭС.

Таким образом, наиболее полная информация о параметрах антенных устройств, влияющих на ЭМС РЭС, заключена в частотной зависимости матрицы рассеяния антенных устройств взаимомешающих РЭС. Зная эту матрицу, можно определить не только величину мешающего сигнала на входе приёмного устройства от передающих устройств соседних РЭС, но и найти пассивное влияние антенных устройств соседних РЭС, проявляющееся и при выключенных передатчиках этих РЭС. Это пассивное влияние может оказаться заметным для близко расположенных РЭС, например, в пределах одного самолёта, спутника или ино­го объекта.

Более частным параметром ЭМС антенных устройств является их коэффициент связи и его зависимость от частоты в заданных пределах (обычно при анализе ЭМС задаваемый частотный интервал равен 0.2f₀ … 5f₀ или 0.1f₀ … 10f₀ , где f₀ - средняя частота рабочего диапазона устройства). Коэффициент связи позволяет рассчитать мощность мешающих сигналов от одной соседней РЭС в частотном интервале одномодового режима работы фидерного тракта передатчика и приёмника или от нескольких РЭС при дополнительном ограничении на некоррелированность их сигналов. Однако методы расчёта матрицы рассеяния антенных устройств соседних РЭС являются более громоздкими и сложными. Поэтому в современной теории и практике ЭМС в основном используется коэффициент связи антенных устройств.

Введённый соотношением (2.13) коэффициент связи между двумя антенными устройствами измеряется в разах. Часто используется децибельная шкала измерений lg _{АУ 21}(f). В дальнейшем будем обозначать коэффициент связи в разах и децибелах одной и той же буквой _{АУ 21}(f) .

Наряду с понятием коэффициента связи используется понятие развязки C_{АУ 21} между двумя антенными устройствами

или в децибелах