Автор admintrans К парадоксу усиления Ханнана (P.W.Hannan): обобщения и выводы применительно к проблемам разработки перспективных радиоэлектронных устройств транспортной безопасности.
Развитие современного наземного, морского, речного и воздушного транспорта немыслимо без развития информационного взаимодействия субъектов, участвующих в транспортных процессах. Информационное взаимодействие сегодня во многом предопределяет уровень безопасности всех, без исключения, транспортных магистралей и логистических структур. Основными факторами, сдерживающими развитие информационного взаимодействия, а, следовательно, не позволяющими достигнуть необходимого уровня транспортной безопасности, являются системы сбора и передачи информации, то есть радиолокация и связь. При этом первая из них требует увеличения скорости обзора пространства и повышения энергетического потенциала используемых радиотехнических комплексов (РТК), а вторая — скорости передачи потоков информации.
Существенного увеличения объема передаваемой информации можно добиться только за счёт увеличения полосы пропускания информационного канала. В качестве главного фактора, сдерживающего развитие этого процесса, на протяжении всей истории радиотехники, выступает отсутствие высокоэффективных антенных систем (АС), являющихся одним из основных элементов любого радиотехнического устройства. Требование расширения полосы пропускания информационных каналов обусловливает необходимость создания широкополосных и сверхширокополосных радиотехнических устройств, возможности которых предопределяются, в первую очередь, технической эффективностью используемых в них широкополосных и сверхширокополосных антенных систем.
Как известно, появление и применение фазированных антенных решеток (ФАР) явилось значительным техническим достижением, поскольку они расширили возможности радиотехнических комплексов (РТК) благодаря большой гибкости и быстроте управления положением луча в пространстве. Тем не менее, до настоящего времени главным недостатком ФАР является отсутствие надёжных и технологичных излучающих элементов (антенных элементов) и фазовращателей (ФВ), чем предопределяется высокая стоимость ФАР. Поисками путей и способов повышения эффективности ФАР занимались и занимаются специалисты и ученые всего мира.
Суть парадокса усиления Ханнана
Среди обширного перечня научных работ по проблемам ФАР особо следует отметить работы американского ученого Ханнана П. (P.W.Hannan). Ханнан П. в 1964 году опубликовал работу (P. W. Hannan, «The element-gain paradox for a phased-array antenna,»IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 12, pp. 423–433, Jul. 1964), в которой представил результаты своих исследований проблем согласования в фазированных антенных решетках при сканировании, с целью оптимизации коэффициента отражения в секторе сканирования ФАР. В ходе этих исследований Ханнан П. установил, что усиление элементов ФАР, сектор сканирования ФАР, число элементов в ФАР, степень их влияния друг на друга и стоимость ФАР находятся в сильной зависимости от соотношения линейных размеров антенных элементов и длины рабочей волны. Среди специалистов зависимость, выявленная Ханнаном, получила наименование «парадокс усиления элементов фазированной антенной решетки (ФАР)». Суть парадокса усиления Ханнана состоит в следующем.
По данным аналитиков агентства Rentalexpert, усиление антенных элементов ФАР сильно зависит от соотношения их линейных размеров и длины рабочей волны.
Если линейный размер a антенного элемента равен половине длины волны λ (a=0,5λ), то при площади антенного элемента, определяемой его линейным размером, коэффициент усиления антенного элемента будет равен π. Если же линейный размер a антенного элемента увеличивать, то уже при достижении им величины, равной 0,7 длины волны λ (a=0,7λ), соответственное увеличение площади элемента обеспечит заметное увеличение коэффициента усиления антенного элемента до 2π, что можно рассматривать как существенное улучшение электрических параметров антенного элемента. Однако, с точки зрения возможностей сканирования, в обоих случаях, рассматриваемых Ханнаном, имеются серьезные проблемы.
В частности, в том случае, когда линейный размер a антенного элемента меньше половины длины волны λ или равен λ (a≤0,5λ), ФАР будет характеризоваться тем, что сектор сканирования может быть достаточно большим, количество элементов в составе ФАР будет тоже очень большое, влияние этих элементов друг на друга будет очень сильное, а цена ФАР огромная. При этом, для сканирования имеется очень существенное ограничение, проявляющееся в наличии проблемы «слепых пятен» ФАР, способа борьбы с которой до настоящего времени никому не удавалось найти. Суть проблемы «слепых пятен» ФАР заключается в том, что в секторе сканирования появляются направления, которые не просматриваются.
В случае, когда линейный размер a антенного элемента будет больше, чем 0,7 длины волны λ (a≥0,7λ), количество элементов в составе ФАР, по сравнению с предшествующим случаем, значительно уменьшится, что, при сохранении сильного взаимного влияния этих элементов друг на друга, заметно снизит стоимость ФАР. Но при этом сектор сканирования резко сужается из-за появления нежелательных дифракционных максимумов. При отсутствии способов подавления дифракционных максимумов (до последнего времени таких эффективных способов не было), возможности для сканирования в этой ситуации также сводятся к нулю.
Ханнан попытался определить перечень возможных способов решения проблемы подавления дифракционных максимумов для случая, когда a≥0,7λ. Но практически решить указанные проблемы сканирующих ФАР ему не удалось.
Тем не менее, важность исследований Ханнана П. состоит в том, что он, в противовес традиционному подходу к созданию антенных систем на основе элементов с линейными размерами равными или меньше половины длины волны, рассмотрел возможность создания антенных элементов с большими размерами (a≥0,7λ), в том числе с размерами, которые больше длины волны, указав на некоторые неоспоримые их преимущества.
Многомодовые антенные элементы (многоуровневые антенны, субрупоры) − это совершенные полосковые (микрополосковые) антенные системы с управляемой диаграммой направленности, изготавливаемые по технологии печатных плат, отличающиеся малой массой и высокой технологичностью. Они могут применяться как в качестве самостоятельных высокоэффективных сверхширокополосных антенных систем (СШП антенн) различных устройств радиолокации, связи, телекоммуникаций, так и в качестве элементов ФАР.