Н. Ю. Бабанов1, С. В. Ларцов2, А. В. Клюев3, А. С. Корсаков4, С. С. Корсаков5, В. П. Самарин6
1, 2, 6 Нижегородский технический государственный университет им. Р.Е. Алексеева (г. Нижний Новгород, Россия)
3 Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова (г. Нижний Новгород, Россия)
4 АО «ЦНИИ «Буревестник» (г. Нижний Новгород, Россия)
5 Конструкторское бюро перспективных проектов АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей» (Москва, Россия)

1 babanov@nntu.ru, 2 s.lartsov@ggc.nnov.ru

Постановка проблемы. В настоящее время под антенной с нелинейной нагрузкой (АНН) понимают любую антенну с нелинейным элементом в нагрузке, например, ректенны или элементы фазовых антенных решеток в виде простых антенных излучателей, нагруженных на модули приемников или усилителей. Обязательным признаком АНН является их способность к обратному рассеянию на частотах продуктов нелинейного преобразования облучающего зондирующего сигнала вследствие проявления эффекта нелинейного рассеяния радиоволн на телах с сосредоточенными нелинейностями. Наиболее часто АНН рассматриваются в качестве как физической, так и аналитической моделей целей нелинейной радиолокации, при этом используется простейшая АНН в виде диполя или рамки, нагруженных на полупроводниковый диод. Кроме того, есть предложения рассматривать АНН в качестве моделей источников нелинейных помех в рамках проблемы электромагнитной совместимости и в качестве пассивного нелинейного радиоответчика для маркировки различных объектов.

Цель. Рассмотреть особенности нового подхода к решению задачи определения и оптимизации параметров нелинейного рассеяния для АНН.

Результаты. Для определения амплитудных, пространственных и частотных свойств нелинейного рассеяния на АНН предложено измерять или вычислять три зависимости: амплитудную характеристику (зависимость интенсивности рассеянной на гармониках электромагнитной волны от интенсивности облучающей волны зондирующего сигнала) и нормированные диаграммы направленности по мощности излучателя АНН на частотах зондирующего и ответного сигналов. Отмечено, что диаграммы вычисляются средствами технической электродинамики, амплитудная характеристика определяется при помощи процессной модели средствами нелинейной электротехники.

Практическая значимость. Предложенный подход позволяет рассматривать задачи исследования параметров АНН как задачи, решаемые путем моделирования при помощи современных расчетно-моделирующих программных комплексов.

Бабанов Н.Ю., Ларцов С.В., Клюев А.В., Корсаков А.С., Корсаков С.С., Самарин В.П. Моделирование процессов нелинейного рассеяния на антеннах с нелинейной нагрузкой // Антенны. 2024. № 6. С. 24–44. DOI: https://doi.org/10.18127/ j03209601-202406-03

1. Франческетти Д., Пинто И. Антенны с нелинейной нагрузкой / В сб. «Нелинейные электромагнитные волны» / Под ред. П. Усленги. М.: Мир. 1983. С. 223–249.
2. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: Сов. радио. 1975.
3. Лукин А.Н., Степанов Г.В., Проскуряков В.Б. Экспериментальные исследования свойств управляемого пассивного рассеивателя // Вестник Воронежского института ФСИН России. 2011. № 1. С. 5–12.
4. AC № 1363378 СССР. Ректенна / А.И. Лучанинов, Я.С. Шифрин, B.M. Шокало. Опубл. 30.12.1987. Бюл. № 48.
5. Шифрин Я.С., Лучанинов А.И., Посохов А.С. Нелинейные эффекты в активных антенных решетках // Радиотехника и электроника. 1994. Т. 39. № 7. С. 1095–1106.
6. Штейншлейгер В.Б. К теории рассеяния электромагнитных волн вибратором с нелинейным контактом // Радиотехника и электроника. 1978. Т. 23. № 7. С. 1329–1338.
7. Горбачев А.А. Особенности зондирования электромагнитными волнами сред с нелинейными включениями // Радиотехника и электроника. 1996. Т. 41. № 2. С. 152–157.
8. Мисежников Г.С. и др. Исследование полуволнового вибратора, содержащего нелинейный контакт // Радиотехника и электроника. 1978. Т. 23. № 12. С. 2625–2628.
9. Беляев В.В. и др. Рассеяние электромагнитных волн вибратором, нагруженным на высокочастотный полупроводниковый диод // Радиотехника. 1997. № 6. С. 89–92.
10. Беляев В.В. и др. Исследования рассеяния электромагнитных волн заглубленной рамкой с нелинейными нагрузками // Известия вузов. Радиофизика. 1999. Т. 42. № 4. С. 314–323.
11. Заборонкова Т.М. Рассеяние электромагнитных волн рамочной антенной с нелинейной нагрузкой // Информационные технологии, наносистемы, радиоэлектроника. 2010. № 2 (1-2). С. 70–77.
12. Бабанов Н.Ю., Корсаков С.С., Ларцов С.В. Моделирование нелинейного рассеяния электромагнитных волн на дипольных вибраторах с нелинейной нагрузкой // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2017. Т. 9. № 6. С. 36–45.
13. Петров Б.М., Семенихина Д.В. Электродинамические структуры с нелинейными нагрузками: применение, анализ // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. 1999. № 4 (27).
14. Mantovani J.C., Dennu H.W. Technique for locating passive intermodulation interference sources // IEEE Nat. Symp. Electromagnetics Compatibility. San Antonio. 1984. P. 311–315.
15. Агрба Д.Ш. и др. Нелинейные рассеиватели как средство маркировки объектов // Радиотехника. 1998. № 10. С. 96–100.
16. Бабанов Н.Ю. и др. О свойствах параметрического рассеивателя, необходимых для решения задач маркировки // Вестник НГИЭИ (технические науки). 2015. № 57. С. 15–21.
17. Бабанов Н.Ю. О приме полезного сигнала от динамического нелинейного рассеивателя на фоне помех от других нелинейных рассеивателей // Научный поиск. 2012. № 4. С. 72–77.
18. Горбачев А.А. и др. Амплитудные характеристики нелинейных рассеивателей // Радиотехника и электроника. 1996. Т. 41. № 5. С. 558.
19. Щербаков Г.Н. и др. Исследование рассеивающих свойств нелинейного биконического отражателя – физической модели боеприпаса с электронными устройствами // Спецтехника и связь. 2011. № 1. С. 33–39.
20. Hager R. Harmonic radar systems for near-ground in foliage nonlinear scatters // IEEE Transactions on Aerospace and Electron Systems. 1976. V. 2. № 2. P. 35–39.
21. Беляев В.В., Маюнов А.Т., Разиньков С.Н. Обнаружение объектов средствами нелинейной радиолокации // Радиотехника. 2003. № 10. С. 24–26.
22. Заборонкова Т.М. Излучение, каналирование и дифракция волн в магнитоактивной, неоднородной плазме. Дисс. … докт. физ.-мат. наук. Н. Новгород: НИРФИ. 1994.
23. Семенихина Д.В. Анализ электродинамических структур с нелинейными нагрузками. Дисс. … докт. техн. наук. Таганрог: Таганрогский государственный радиотехнический университет. 2000.
24. Разиньков С.Н. Электродинамические модели широкополосных осесимметричных элементов и дискретных структур. Дисс. … докт. физ.-мат. наук. Воронеж: Воронежский госуниверситет. 2005.
25. Шорохова Е.А. Излучение и дифракция электромагнитных волн в естественных и искусственных неоднородных материальных средах. Дисс. … докт. физ.-мат. наук. Н. Новгород: ФГУП «ФНПЦ НИИ измерительных систем им. Ю.Е. Седакова». 2009.
26. Мусабеков П.М., Панычев С.Н. Нелинейная радиолокация: методы, техника и области применения // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 2000. № 5. С. 54–61.
27. Разиньков С.Н. Математическое моделирование нелинейного рассеяния электромагнитных волн в радиолокации // Зарубежная электроника. 1997. № 1. С. 87–96.
28. Кузнецов А.С., Кутин Г.И. Методы исследования эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн // Зарубежная электроника. 1985. № 4. С. 41–53.
29. Bahr A.J. Theory of scattering from nonlinearly loaded aperture // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1980. V. 28. № 6. P. 840–845.
30. Петров Б.М. Нелинейные граничные условия // Известия вузов. Радиоэлектроника. 1992. Т. 35. № 3. С. 30–37.
31. Семенихина Д.В., Декало И.Э. Граничные условия на нелинейных элементах в интегральных схемах СВЧ // Рассеяние электромагнитных волн. Таганрог, ТРТУ. 1995. Вып. 10. С. 75–78.
32. Горбачев А.А., Заборонкова Т.М., Тараканков С.П. Влияние границы раздела двух сред на структуру электромагнитного поля, рассеянного нелинейной полуволновой рамкой // Известия вузов. Радиофизика. 1995. Т. 38. № 9. С. 961–968.
33. Petrov В.М., Semenikhina D.V., Panichev A.I. A new analysis method of nonlinear scattering for solution EMC problems // 11th International Wroclaw Symp. and Exhibition on Electrom. Compat. EMC-92. Wroclaw, Poland. 1992. P. 45–49.
34. Gorbachev A.A., Zaboronkova T.M., Tarakankov S.P. Scattering of electromagnetic waves by nonlinear antennas under presence of a boundary between two media // Journal of Electromagnetic Waves and Application. 1995. V. 9. № 10. P. 1285–1299.
35. Панычев С.Н. и др. Оценка эффективности параметрического нелинейного радиомаркера на основе контура с варикапом // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т. 4. № 3. С. 25–27.
36. Benedetto S., Bigliery E. Analysing of strongly nonlinear circuits using Volterra series // ESA Journal. 1978. V. 2. P. 303–311.
37. Powers E.J., Hong J.Y., Kim Y.C. On modeling the nonlinear relationship between fluctuation with nonlinear transfer function // IEEE Transaction on Aerospace Electronics Systems. 1981. V. 17. № 6. P. 602–605.
38. Зиньковский Ю.Ф., Зинченко М.В. Моделирование рассеивателей в нелинейной радиолокации // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2010. Т. 53. № 11. С. 54–64.
39. Opitz C.L. Metall-detecting radars rejects clutter naturally // Microwaves. 1976. № 8. P. 43–47.
40. Петров Б.М., Семенихина Д.В., Панычев А.И. Эффект нелинейного рассеяния. Таганрог: ТРТУ. 1997.
41. Горбачев А.А. и др. Измерение характеристик объектов, нелинейно рассеивающих электромагнитные волны // Радиотехника и электроника. 2001. Т. 46. № 6. С. 659–665.
42. Марка Д., МакГоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования: Пер. с англ. М: 1993.
43. Туровец О.Г. Процессный подход к организации производства // Организатор производства. 2006. № 2. С. 22–23.
44. Бабанов Н.Ю., Ларцов С.В. Необходимые характеристики для описания пространственных свойств простых нелинейных рассеивателей // Радиотехника. 2009. № 5. С. 34–39.
45. Бирюк Н.Д., Юргелас В.В. Основы теории параметрических радиоцепей. Воронеж: Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета. 2012.
46. Семенихина Д.В., Павлов В.П., Маркина Ю.И. Моделирование сверхширокодиапазонной спиральной антенны в САПР СВЧ HFSS v.10 // Антенны. 2010. № 12. С. 63–66.
47. Ларцов С.В., Бабанов Н.Ю. Об измерениях характеристик, необходимых при конструировании пассивных нелинейных радиоответчиков // Датчики и системы. 2014. № 9. С. 20–25.
48. Григорьев А.Д. Методы вычислительной электродинамики. М.: Физматлит. 2012.
49. Банков С.Е., Курушин А.А. Расчет излучаемых структур с помощью FEKO. М.: ЗАО НППП Родник. 2008.
50. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. М.: Связь. 1972.
51. Богданов А.Ф. и др. Справочник по радиоэлектронике в трех томах. Т. 1 / Под общ. ред. А.А. Куликовского. М.: Энергия. 1967.
52. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. М.: Сов. радио. 1969.
53. Воскресенский Д.И. и др. Характеристики антенн в режиме передачи. Слабонаправленные антенны: Учеб. пособие. М.: Издательство МАИ. 1993.
54. Babanov N.Y. et al. Simulation of the reradiation processes at the pump-signal half frequency in a single-circuit parametric scatterer // Radiophysics and Quantum Electronics. 2015. V. 58. № 4. P. 296–306.
55. Горбачев П.А. Нелинейный рассеиватель электромагнитных волн, создающий субгармоники // Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44. № 10. С. 1164–1167.
56. Горбачев А.А. и др. Субгармонический рассеиватель электромагнитных волн на поверхности акватории в условиях ее загрязнения // Нелинейный мир. 2007. Т. 5. № 7-8. С. 516–520.
57. Васенков А.А., Чигин Е.П. Субгармонические рассеиватели электромагнитных волн как маркеры при поисковых работах // Нелинейный мир. 2007. Т. 5. № 7-8. С. 488–491.
58. Патент № 2652150 РФ. Полосковый мостовой пассивный нелинейный радиоответчик / Н.Ю. Бабанов и др. Опубл. 25.04.2018. Бюл. № 12.
59. Васенков А.А. и др. Использование методов нелинейной радиолокации при проектировании судовых навигационных систем // Проектирование и технология электронных средств. 2008. № 4. С. 27–31.
60. Горбачев П.А., Заборонкова Т.М. Использование параметрического контура с автомодуляцией в качестве нагрузки рассеивателей электромагнитных волн // Нелинейный мир. 2005. № 9. С. 346–349.
61. Бабанов Н.Ю., Корсаков А.С., Ларцов С.В. Экспериментальное исследование амплитудно-частотных свойств субгармонических рассеивателей // Проектирование и технология электронных средств. 2008. № 3. С. 18–26.
62. Патент № 2496123 РФ. Маркер – субгармонический параметрический рассеиватель / Н.Ю. Бабанов, С.В. Ларцов. Опубл. 20.10.13. Бюл. № 29.
63. Babanov N.Y. et al. Studying the bridge-type parametric scatterer // Radiophysics and Quantum Electronics. V. 60. № 4. P. 332–339.
64. Бабанов Н.Ю. и др. Конструирование полоскового параметрического рассеивателя-четырехполюсника // Радиотехника. 2020. Т. 84. № 12. С. 48–61.
65. Каплан А.Е., Кравцов Ю.А., Рылов В.А. Параметрические генераторы и делители частоты. М.: Сов. радио. 1966.
66. Никольский В.В. Антенны. М.: Связь. 1966.
67. Клюев А.В. Преобразование радиосигналов в параметрических рассеивателях. Дисс. … канд. техн. наук. Иваново: Ивановский госуниверситет. 2016.
68. Sharma S., Tripathi C.C., Rishi R. Impedance matching techniques for microstrip patch antenna // Indian Journal of Science and Technology. 2017. V. 10(28). P. 1–16.
69. Ломан В.И., Ильинов М.Д., Гоцуляк А.Ф. Микрополосковые антенны // Зарубежная радиоэлектроника. 1981. № 10. С. 99–116.