350 rub
Journal Achievements of Modern Radioelectronics №9 for 2010 г.
Article in number:
On Features of the Work of Ultrawideband Radio Systems with Large Antennas
Authors:
I.Ya. Immoreev
Abstract:
Specific features of constructing highly informative radio systems which use short ultrawideband (UWB) signals and antennas with large aperture are considered. As examples of such systems, we study radars ensuring resolution of closely neighboring targets (for instance, MIRV warheads) and radars detecting a target type by the set of its resolved elements. Another example of highly informative radio systems are radiocommunication systems which provide both transmission of large amounts of information due to the wide frequency band and stealth communication due to concentration of energy in the narrow (aiming) lobe of the antenna. As a rule, in the such type of radio systems, a signal duration in space is shorter than physical dimensions of the antenna aperture. Due to this fact, a signal substantially varies its shape during the process of radiation and reception. In its turn, variation of the signal shape yields the change of the structure of antennas radiation patterns unlike the narrowband antennas which are excited by a harmonic oscillator. To understand the nature of such variations, the process of antenna excitation by a short pulse signal is considered. A linear radiator is taken as an antenna model, which is excited from its one end and has a matched load. Using the expressions for the far-zone electric field of the Huygens element with an arbitrary current time distribution, the field of the linear radiator was determined as a superposition of fields of its elementary segments. Possibility of using currents with arbitrary time distribution allows us to obtain relations between an exciting current shape and a form of the radiated field at different ratios between signal duration in space and antenna aperture dimensions for different angles of observation. Obtained expression gives the possibility to find the radiation pattern as a function of the electric field component. It is shown that this pattern changes its spatial location as the current pulse "travels" along the radiator. Since such radiation pattern is not convenient for computations of radio systems parameters, an energy radiation pattern is introduced, which characterizes the distribution of radiated energy in angular coordinates (the power radiated during the time of current pulse travel along the radiator). Application of the analogous approach for analysis of processes in the receiving antenna, gives us the dependence of voltage on the load from angular coordinates, i. e., its radiation pattern. It is shown that in this case it is also necessary to use the energy radiation pattern whose shape depends on the shape of the incident field, i. e., on the relative position of radiating and receiving antennas. If the signal spatial duration is essentially (several times) shorter than the antenna aperture physical dimensions, antenna radiation and receiving patterns are different. The latter fact does not allows using the same antenna both in radiation and in receiving regimes. Here, according to the theorem of reciprocity, shapes of both antennas patterns in the same regime (radiation or receiving) are identical. After changing antennas regimes they exchange their patterns. Signal delay in antennas and mutual position of antennas influence not only the pattern shape but also shapes of signals during their passage from the radiating antenna input to the receiving antenna output. Variations of complex Gaussian pulses with or without high-frequency filling, as well as complex signals with intra-impulse linear frequency modulation, are shown in radiation and receiving regimes as a function of the signal delay during its passage along the antenna. Due to the complex signal structure variations, its processing by the matched filter placed on the receiving antenna output is ineffective. The mentioned above processes are simulated in MathCad 13. Physical experiments confirm variations of the UWB signal shape at its radiation by an antenna with large aperture.
Pages: 59-71
References
  1. Иммореев И.Я., Синявин А.Н.Излучение сверхширокополосных сигналов // Сб. Антенны. 2001. Вып. 1.
  2. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары. Особенности и возможности // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54. №1. С. 5 - 31.
  3. Черноусов В.С. Нестационарное излучение антенных систем // Радиотехника и электроника. №8. 1965.
  4. Zaiping N. Radiation characteristics of travelling-wave antennas excited by nonsinusoidal currents // IEEE Electromagnetic Compatibility Transaction on? EMC-25. 1983. No. 1.
  5. Ковалев И.П., Пономарев Д.М., Клюев Е.А.Нестационарные процессы в проволочных антеннах при импульсном возбуждении // Сб. Антенны. 1988. № 4.
  6. Ковалев И.П., Пономарев Д.М. Анализ процессов излучения и приема импульсных сигналов // Радио и связь. 1996.
  7. Самсонов А.В. Пространственно-временные преобразования электромагнитных сигналов. М.: МЭИ. 1997.
  8. Bogerd J. C., Tijhuis A.G., Klaasen J.A. Electromagnetic excitation of a thin wire: a traveling-wave approach // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. Aug. 1998. V. 46. No. 8.
  9. Захаров K.A., Сугак М.И. Излучение проволочной антенны для нестационарного возбуждения // Труды XXVIII конференции по теории и технологии антенн. 1998.
  10. Baum C. E. Some Characteristics of Electric and Magnetic Dipole Antennas for Radiating Transient Pulses, Sensor and Simulation Notes 125. Jan. 1971.
  11. Никольский Н. В. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука. 1973.
  12. Papas, Franceschetti: Pulsed Antennas // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. V. 22. No. 5. Sept. 1974.
  13. Красюк Н. П., Дымович Н. Д. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Высшая школа. 1974.
  14. Harmuth, Henning F. Antennas and Waveguides for Nonsinusoidal Waves. New York: Academic Press. 1984.
  15. Baum C. E. Radiation of Impulse-Like waveforms, Sensor and Simulation Note 321. Nov. 1989.
  16. Астанин Л. Ю., Костылев А. А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. М.: Радиоисвязь. 1989.
  17. Baum C. E., General Properties of Antennas, Sensor and Simulation Note 330, Phillips Laboratory. July 1991.
  18. Baum C. E.,Farr E.G.Extending the Definitions of Antenna Gain and Radiation Pattern Into the Time Domain. Sensor and Simulation Notes350. Nov. 1992.
  19. Farr, E. G., and Baum C. E. The Radiation Pattern of Reflector Impulse Radiating Antennas: Early-Time Response, Sensor and Simulation Notes358. June 1993.
  20. Baum C. E. Impulse Radiating antennas. In: Ultra Wideband, Short-Pulse Electromagnetics. / ed. by Bertroni, et al. PlenumPress. 1993.
  21. Крымский В. В., Бухарин В. А., Заляпин В. И.Теория несинусоидальных электромагнитных волн. Челябинск: ЧГТУ. 1995.
  22. Baum C. E.,Farr E.G., Frost C. A. Transient Gain of Antennas Related to the Traditional ContinuowWave (CW) Definition of Gain. Sensor and Simulation Notes 412. July 1997.
  23. Baum C. E. Intermediate Field of an Impulse-Radiating Antenna, Sensor and Simulation Note 418. Dec. 1997.
  24. Smith G. S. On the interpretation for radiation from simple current distribution. IEEE Antennas and Propagation Magazine. V. 40. No. 3. June 1998.
  25. Скулкин С.П. О некоторых особенностях импульсных полей апертурных антенн // Изв. вузов. Сер. Радиофизика. 1999. Т. XLII. №2.
  26. Зайцев А. В. Исследования электромагнитных полей во временной области // В сб.: Антенны / под ред. Л. Д. Бахраха. Вып. 6 (51). М.: Радио и связь. 2001. С. 3 - 11.
  27. Подосенов С. А., Потапов А. А., Соколов А. А.Импульсная электродинамика широкополосных радиосистем и поля связанных структур / под ред. А. А. Потапова. М.: Радиотехника. 2003.
  28. Крымский В. В. Антенны несинусоидальных волн. Челябинск: ЦНТИ. 2004.
  29. Энергетические характеристики радиоканалов передачи-приема сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов / под ред. В. Б. Авдеева. Воронеж: Военный институт радиоэлектроники. 2004.
  30. Моделирование малогабаритных сверхширокополосных антенн: коллективная монография / под ред. В. Б. Авдеева. Воронеж: ВГУ. 2005.
  31. Kohlberg I. and Baum C. On the Mathematical Structure of Frequency and Time Dependent Electromagnetic Fields of an Impulse Radiating Antenna, Proceedings of the International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA 05), Torino. Italy. Sept. 12-16. 2005.
  32. Домашенко Г.Д., Лисицын В.П., Мосин И.В.Определение параметров датчиков импульсного электрического поля с использованием принципа взаимности // Сб. докл. III Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике». Муром. 2008.
  33. Giri D. V. Peak Power Gain in Time Domain of Impulse Radiating Antennas (IRAs), Sensor and Simulation Notes 546. Oct. 2009.
  34. Гольдштейн Л.Д. и Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. М.: Советское радио. 1971.
  35. Герасимов П.А. Диаграммы направленности передающей и приемной антенн при излучении и приеме СШП-сигналов. Дипломныйпроект. МАИ. 2009.
  36. Hussain, Malek G.M., Antenna patterns of nonsinusoidal waves with the time variation of a Gaussian pulse-Part I // IEEE Trans. Electromagn. Compat. 1988. V. EMC-30. No. 4. P. 504 -512.
  37. Зернов Н.В., Меркулов Г.В. Антенны в режиме излучения (приема) сверхширокополосных сигналов // Зарубежная радиоэлектроника. 1991. № 1.
  38. Hussain, Malek G. M., Yedlin,Matthew J.Active Array Bearnforming for Ultra-Wideband Impulse Radar // IEEE International Radar Conference RADAR 2000. May 8-12 2000. Alexandria. USA.
  39. Свешникова М. П. Теорема взаимности в электродинамике и радиотелеграфии // Журнал русского физико-химического общества при Ленинградском университете. Ч. Физическая. 1927. Т. LIX. Вып. 5 - 6. С. 453 - 464.

  40. Нейман М. С. Принцип взаимности в теории антенн. Изв. электропромышленности слабого тока. 1935. № 8. С. 1 - 11.
  41. Пистолькорс А. А. Приемные антенны. М.: 1937.
  42. Фельд Я. Н. Теорема взаимности в электродинамике для неустановившихся процессов // Докл. Академии наук СССР. 1943. Т. 41. № 7. С. 294 - 297.
  43. Фельд Я. Н. Общая теорема взаимности в теории приемо-передающих антенн // Докл. Академии наук СССР. 1945. Т. 48. № 7. С. 503 - 505.
  44. Welch W. J. Reciprocity Theorems for Electromagnetics Fields Whose Time Dependence is Arbitrary // IRE Transactions on Antennas and Propagation. 1960. V. AP-8. № 1.
  45. Ru-Shao Сheo В. A Reciprocity Theorem for Electromagnetic Field with General Time Dependence // IRE Transactions on Antennas and Propagation. March 1965. P. 278 - 284.
  46. Фельд Я. Н. Теоремы и задачи нестационарных процессов электродинамики // Радиотехника и электроника. 1993. № 1. С. 38 - 48.
  47. SmithGlenn S. A Direct Derivation of a Single-Antenna Reciprocity Relation for the Time Domain // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. V. 52. No. 6. June 2004.
  48. Immoreev I., Sinyavin A.Radiation of Ultra Wideband Signal by an Antenna, which Length Exceeds Spatial Duration of a Signal. Proceeding of Millennium Conference on Antennas & Propagation (AP2000). Switzerland. Davos. April. 2000
  49. Иммореев И.Я., Синявин А.Н. Излучение сигнала, пространственная длительность которого значительно меньше длины антенны // Труды 55 Научной сессии, посвященной Дню радио «Радиотехника, электроника и связь на рубеже тысячелетия». Москва. Май 2000.
  50. Зайцев А. В., Иммореев И. Я., Синявин А. Н.
    Прием сверхширокополосных сигналов // Сб. докл.
    I Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике». Муром. 2003.
  51. Zaisev A. V., Immoreev I. Ya. The scope of application of a reciprocity principle in the theory of antennas at radiation and reception of ultrawideband signals. Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals. International Conference. Sevastopol. Ukraine. 2004.
  52. ЗайцевА. В.Применениепринципавзаимностивтеорииантеннприизлучениииприемесверхширокополосныхсигналов. Сб. докл. IМеждународной конференции «Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике». Суздаль. 2005.
  53. Зайцев А. В., Иванов Д. Н. Линейные антенны в режиме приема сверхширокополосных сигналов // Сб. докл. II Всероссийской научной конференции: «Сверхши­рокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике». Муром. 2006.
  54. Zaisev A.V., Ivanov D.N. Ultrawideband signals transformation by linear antennas in reception mode. Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals. International Conference. Sevastopol. Ukraine. 2006.
  55. Фокеев П.И. Излучение и прием СШП-сигналов с внутриимпульсной модуляцией (ЛЧМ и ФМН). Дипломныйпроект. МАИ. 2010 г.