Adaptive Antennas and Phased Arrays for Radar and Communications (Artech House Radar Library (Hardcover))

آنتن‌های تطبیقی و آرایه‌های فازی، از فناوری‌های کلیدی در سامانه‌های پیشرفته‌ی رادار و مخابرات به شمار می‌روند و کتاب Adaptive Antennas and Phased Arrays for Radar and Communications نوشته‌ی آلن جی. فن، یکی از معتبرترین مراجع در این حوزه است. این اثر که بر اساس تحقیقات گسترده‌ی نویسنده در آزمایشگاه لینکلن مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست (MIT) نگاشته شده، دانشی عمیق و کاربردی را برای طراحی و آزمایش این سامانه‌های پیچیده در اختیار مهندسان و پژوهشگران قرار می‌دهد.

درباره‌ی کتاب طراحی آنتن‌های تطبیقی و آرایه‌های فازی

کتاب حاضر که در سال ۲۰۰۸ توسط انتشارات آرتک هاوس منتشر شده است، به عنوان جلد دیگری از مجموعه‌ی کتابخانه‌ی رادار این ناشر، به یکی از منابع اصلی دروس کارشناسی ارشد و دکتری مهندسی برق و مخابرات تبدیل شده است. تمرکز اصلی این کتاب بر روی ارائه‌ی شرحی جامع از طراحی آرایه‌های تطبیقی با تأکید بر مشخصات فرکانس رادیویی (RF)، تأثیرات تزویج متقابل بین المان‌ها، و روش‌های آزمایش میدانی است. برای اولین بار در یک کتاب، راهنمایی برای طراحی آرایه‌های تخصصی با استفاده از المان‌های تشعشعی مونوپول، استوانه‌های شکاف‌دار و دوقطبی‌های پهن‌باند بسیار فراگیر (ultrawideband) ارائه شده است. یکی از ویژگی‌های برجسته و منحصربه‌فرد این اثر، معرفی تکنیک میدان‌نزدیک متمرکز (focused near-field technique) است که به مهندسان امکان می‌دهد تا عملکرد میدان‌دور سامانه‌های رادار و مخابرات با روزنه‌ی بزرگ را کمّی‌سازی کنند. کتاب با ارائه‌ی نمونه‌های متعدد از آرایه‌های آنتن فازی نمونه، از جمله تحلیل‌های آرایه‌ی متناهی و نامتناهی برای آرایه‌های مونوپول، و همچنین بررسی مشخصات قطبش میدان‌نزدیک این آرایه‌ها، به تشریح مباحث از سطح مفاهیم پایه تا جزئیات پیاده‌سازی عملی می‌پردازد.

درباره‌ی نویسنده

آلن جی. فن، نویسنده‌ی این کتاب، عضو ارشد گروه حسگرهای مجتمع و فوتونیک در آزمایشگاه لینکلن مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست (MIT) است. او به دلیل مشارکت‌های ارزشمند خود در زمینه‌ی تئوری و کاربرد آنتن‌های آرایه‌ی فازی تطبیقی، به عنوان عضو ممتاز (Life Fellow) مؤسسه‌ی مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) شناخته می‌شود و در سطح بین‌المللی شهرت دارد. فن نویسنده یا هم‌نویسنده‌ی بیش از ۱۰۰ مقاله‌ی ژورنالی، مقاله‌ی کنفرانسی و پتنت در زمینه‌ی الکترومغناطیس، آنتن‌ها و سامانه‌های آرایه‌ی فازی تطبیقی است و تألیف پنج کتاب را نیز در کارنامه دارد. او مدرک کارشناسی خود را از دانشگاه ایلینوی در شیکاگو و مدارک کارشناسی ارشد و دکتری خود را در مهندسی برق از دانشگاه ایالتی اوهایو دریافت کرده است.

چرا باید کتاب آنتن‌های تطبیقی و آرایه‌های فازی را بخوانید؟

مطالعه‌ی این کتاب برای مهندسان و پژوهشگران حوزه‌ی رادار و مخابرات، مزایای بی‌شماری دارد که در ادامه به مهم‌ترین آنها اشاره می‌شود:

• مرجعی معتبر و مبتنی بر تحقیقات پیشرفته: این کتاب حاصل سال‌ها تحقیق و تجربه‌ی عملی نویسنده در یکی از معتبرترین مراکز تحقیقاتی جهان (آزمایشگاه لینکلن MIT) است و به همین دلیل، از اعتبار علمی بالایی برخوردار است.
• پوشش جامع مباحث از پایه تا پیشرفته: کتاب مباحث را از مفاهیم بنیادین آنتن‌های تطبیقی و درجات آزادی شروع کرده و تا جزئیات طراحی آرایه‌های تخصصی مانند آرایه‌های مونوپول، دوقطبی و موجبری پیش می‌برد.
• ارائه‌ی تکنیک‌های نوین و منحصربه‌فرد: برای اولین بار در یک کتاب، روش‌های طراحی آرایه‌های خاص و همچنین تکنیک میدان‌نزدیک متمرکز برای ارزیابی عملکرد سامانه‌ها معرفی شده است.
• رویکرد عملی و ارائه‌ی مثال‌های واقعی: کتاب با ارائه‌ی نمونه‌های متعدد از آرایه‌های آنتن فازی نمونه و تشریح مراحل تحلیل و اندازه‌گیری آن‌ها، دانشی کاربردی را به مخاطب منتقل می‌کند.
• کمک به حل چالش‌های طراحی صنعتی: تکنیک‌های اثبات‌شده‌ای که در این کتاب ارائه شده، برای پروژه‌های چالش‌برانگیز در حوزه‌ی رادار، سامانه‌های مخابراتی و طراحی آنتن بسیار مفید و راهگشا هستند.

این کتاب برای چه کسانی مناسب است؟

مخاطبان اصلی این کتاب، مهندسان و طراحان شاغل در صنایع دفاعی، مخابرات، هوافضا و پژوهشگران حوزه‌های مرتبط با آنتن، رادار و سامانه‌های مخابراتی هستند. همچنین، این اثر به عنوان یک منبع درسی ارزشمند برای دانشجویان کارشناسی ارشد و دکتری مهندسی برق، مخابرات و فیزیک که به دنبال درک عمیق و تخصصی از آنتن‌های آرایه‌ای و فناوری‌های تطبیقی هستند، بسیار توصیه می‌شود. با توجه به محتوای پیشرفته و تخصصی کتاب، مطالعه‌ی آن برای افرادی که با مفاهیم پایه‌ای الکترومغناطیس و آنتن آشنایی دارند، ثمربخش‌تر خواهد بود.

سوالات متداول

آیا این کتاب برای مبتدیان در حوزه‌ی آنتن مناسب است؟

این کتاب بیشتر برای مخاطبانی طراحی شده که با مفاهیم پایه‌ای آنتن‌ها، الکترومغناطیس و تحلیل مدارات فرکانس بالا آشنایی دارند. اگرچه مباحث از سطح مفاهیم پایه شروع می‌شود، اما سرعت پیشرفت مطالب و عمق فنی آن برای یک مبتدی مطلق ممکن است چالش‌برانگیز باشد و بهتر است ابتدا با یک کتاب مقدماتی‌تر آشنا شوند.

تفاوت اصلی این کتاب با سایر منابع مشابه در چیست؟

وجه تمایز اصلی این کتاب، تأکید ویژه‌ی آن بر روی مشخصات فرکانس رادیویی (RF)، تأثیرات تزویج متقابل در آرایه‌ها و معرفی تکنیک‌های منحصربه‌فرد آزمایش میدانی مانند روش میدان‌نزدیک متمرکز است که در سایر کتاب‌ها کمتر به آن پرداخته شده است. همچنین، ارائه‌ی راهنمای طراحی برای آرایه‌های خاص با المان‌های مونوپول، استوانه‌های شکاف‌دار و دوقطبی‌های پهن‌باند، این کتاب را از سایر مراجع متمایز می‌سازد.

آیا مثال‌های عملی در کتاب برای درک بهتر مطالب وجود دارد؟

بله، کتاب سرشار از مثال‌های عملی و نمونه‌های واقعی از آرایه‌های آنتن فازی است که توسط نویسنده و همکارانش طراحی و ساخته شده‌اند. این مثال‌ها شامل آرایه‌های مونوپول، تحلیل‌های مربوط به آن‌ها و نتایج اندازه‌گیری‌های صورت‌گرفته است که به درک بهتر مفاهیم تئوری و کاربردهای عملی آن‌ها کمک شایانی می‌کند.

Based on the author's extensive research at MIT Lincoln Laboratory, this authoritative resource offers an in-depth description of adaptive array design, emphasizing the RF characteristics, mutual coupling among elements, and field testing methods. It provides you with proven techniques for challenging projects involving radar, communication systems and antenna design. For the first time in any book, you find design guidance on specialized types of arrays, using monopole radiating elements, slotted cylinders and ultrawideband dipoles. Moreover, this unique book presents a focused near-field technique that quantifies the far-field performance of large aperture radar systems and communication systems. The book presents example prototype phased array antennas, including discussions on monopole phased arrays, finite and infinite array analyses, measurements for planar arrays of monopole elements. Further, you get a detailed explanation of focused near-field polarization characteristics of monopole arrays as related to adaptive array testing in the near field. From the fundamentals of adaptive antennas and degrees of freedom for multiple beam antennas and phased arrays... to a test bed monopole phased array and the planar near field testing technique... to arrays of horizontally polarized loop-fed slotted cylinder antennas and ultrawideband dipole arrays, this comprehensive book offers you invaluable, hands-on knowledge for your work in the field. Radar Adaptive Antennas and Phased Arrays for Radar and Communications 1 Contents 7 Preface 15 1 Adaptive Antennas and Degrees of Freedom 17 1.1 INTRODUCTION 17 1.2 ADAPTIVE ANTENNA FUNDAMENTALS 19 1.3 CONSUMPTION OF ADAPTIVE ANTENNA DEGREES OF FREEDOM 24 1.4 DERIVATION OF THE APPLEBAUM-HOWELLS STEADY-STATE ADAPTED WEIGHT EQUATION IN EIGENSPACE 25 1.5 CONDITIONS FOR COMPLETE CONSUMPTION OF N-DEGREES OF FREEDOM 34 1.6 ORTHOGONAL INTERFERENCE SOURCES 35 1.7 EIGENVALUES AND INR FOR TWO-ELEMENT ARRAY WITH TWO INTERFERENCE SOURCES 38 1.8 FIGURE OF MERIT FOR CONSUMPTION OF DEGREES OF FREEDOM 44 1.9 GRADIENT SEARCH TO MAXIMIZE CONSUMPTION OF ADAPTIVE ANTENNA DEGREES OF FREEDOM 48 1.10 MAXIMUM JAMMER EFFECTIVENESS, NUMERICAL RESULTS 51 1.11 SUMMARY 55 1.12 PROBLEM SET 56 References 57 2 Array Mutual Coupling Effects on Adaptive Radar Clutter Suppression 59 2.1 INTRODUCTION 59 2.2 DISPLACED PHASE CENTER ANTENNA CONCEPT FOR CLUTTER SUPPRESSION 59 2.3 THEORY 65 2.4 RESULTS 75 2.5 SUMMARY 87 2.6 PROBLEM SET 88 References 89 3 Focused Near-Field Technique for Evaluating Adaptive Phased Arrays 91 3.1 INTRODUCTION 91 3.2 THEORY 95 3.3 NEAR-FIELD FORMULATION 98 3.4 RESULTS 105 3.5 SUMMARY 124 3.6 PROBLEM SET 124 References 125 4 Moment Method Analysis of Focused Near-Field Adaptive Nulling 127 4.1 INTRODUCTION 127 4.2 THEORY 129 4.3 RESULTS 136 4.4 SIDELOBE CANCELLER ADAPTIVE ARRAY BEHAVIOR 139 4.5 SUMMARY 145 References 146 5 Focused Near-Field Testing of Multiphase-Center Adaptive Array Radar Systems 149 5.1 INTRODUCTION 149 5.2 NEAR-FIELD/FAR-FIELD SOURCE WAVEFRONT DISPERSION 154 5.3 FOCUSED NEAR-FIELD TESTING CONCEPT 155 5.4 ADAPTIVE DPCA RADAR CONCEPT 157 5.5 ADAPTIVE DPCA ARRAY FORMALISM 159 5.6 ARRAY ANTENNA/SOURCE MODELING 163 5.7 DPCA NEAR-FIELD SOURCE DISTRIBUTION 165 5.8 NEAR-FIELD/FAR-FIELD SIMULATIONS 166 5.9 SUMMARY 173 5.10 PROBLEM SET 174 References 175 6 Experimental Testing of Focused Near-Field Adaptive Nulling 177 6.1 INTRODUCTION 177 6.2 ADAPTIVE NULLING SYSTEM DESCRIPTION 178 6.3 PROTOTYPE PHASED ARRAY AND SIMULATION MODEL 185 6.4 RESULTS 187 6.5 SUMMARY 190 References 190 7 Experimental Testing of High-Resolution Nulling with a Multiple Beam Antenna 193 7.1 INTRODUCTION 193 7.2 MBA DESIGN AND CONSTRUCTION 194 7.3 MEASURED RESULTS 200 7.4 SUMMARY 204 References 205 8 Phased Array Antennas: An Introduction 207 8.1 INTRODUCTION 207 8.2 THEORETICAL BACKGROUND 208 8.3 EXAMPLE MEASUREMENTS OF ARRAY MUTUAL COUPLING AND ARRAY ELEMENT GAIN PATTERN 224 8.4 SUMMARY 227 References 228 9 Monopole Phased Array Antenna Design, Analysis, and Measurements 231 9.1 INTRODUCTION 231 9.2 MONOPOLE PHASED ARRAYS 233 9.3 THEORY FOR ANALYSIS OF FINITE ARRAYS OF MONOPOLES 235 9.4 THEORY FOR ANALYSIS OF INFINITE ARRAYS OF MONOPOLES 245 9.5 RESULTS 258 9.6 SUMMARY 271 9.7 PROBLEM SET 272 References 273 10 Monopole Phased Array Field Characteristics in the Focused Near-Field Region 275 10.1 INTRODUCTION 275 10.2 MONOPOLE PHASED ARRAY ANTENNA DESIGN 276 10.3 THEORETICAL FORMULATION FOR THE ELECTRIC FIELD COMPONENTS 277 10.4 RESULTS 280 10.5 SUMMARY 288 References 288 11 Displaced Phase Center AntennaMeasurements Using Near-Field Scanning 291 11.1 INTRODUCTION 291 11.2 DISPLACED PHASE CENTER ANTENNA CLUTTER CANCELLATION 292 11.3 DISPLACED PHASE CENTER ANTENNA NEAR-FIELD MEASUREMENT TECHNIQUE 294 11.4 RESULTS 299 11.5 SUMMARY 305 References 305 12 Low-Sidelobe Phased Array Antenna Measurements Using Near-Field Scanning 307 12.1 INTRODUCTION 307 12.2 THEORY 309 12.3 LOW-SIDELOBE PHASED ARRAY ANTENNA PROTOTYPE 321 12.4 NEAR-FIELD MEASUREMENTS SYSTEM 323 12.5 RESULTS 325 12.6 SUMMARY 333 12.7 PROBLEM SET 335 References 335 13 Arrays of Horizontally Polarized Omnidirectional Elements 337 13.1 INTRODUCTION 337 13.2 THEORY 338 13.3 LOOP-FED SLOTTED CYLINDER ANTENNA 338 13.4 RESULTS 339 13.5 SUMMARY 348 References 348 14 Finite Arrays of Crossed V-Dipole Elements 351 14.1 INTRODUCTION 351 14.2 THEORY 351 14.3 DIPOLE ELEMENT PROTOTYPES DESCRIPTION 356 14.4 MEASUREMENTS OF SINGLE STRAIGHT DIPOLE AND V-DIPOLE ELEMENTS ABOVE A GROUND PLANE 357 14.5 V-DIPOLE ARRAY DESCRIPTION 359 14.6 MEASURED ARRAY MUTUAL COUPLING RESULTS 359 14.7 CENTER ELEMENT GAIN PATTERN MEASUREMENTS AND SIMULATIONS 362 14.8 SUMMARY 364 References 365 15 Experimental Ultrawideband Dipole Antenna Array 367 15.1 INTRODUCTION 367 15.2 ULTRAWIDEBAND DIPOLE ARRAY DESIGN 367 15.3 MEASURED RESULTS FOR PROTOTYPE ULTRAWIDEBAND ARRAY 372 15.4 SUMMARY 373 References 374 16 Finite Rectangular Waveguide Phased Arrays 375 16.1 INTRODUCTION 375 16.2 ARRAY FORMULATION 377 16.3 RESULTS 390 16.4 SUMMARY 395 16.5 PROBLEM SET 399 References 399 About the Author 403 Index 405 Antennas; Radar; Communications; Artech House,Inc; 978-1-59693-273-9 Antennas,Radar,Communications,Artech House,Inc,978-1-59693-273-9 Adaptive Antennas and Phased Arrays for Radar and Communications......Page 1 Contents......Page 7 Preface......Page 15 1.1 INTRODUCTION......Page 17 1.2 ADAPTIVE ANTENNA FUNDAMENTALS......Page 19 1.3 CONSUMPTION OF ADAPTIVE ANTENNA DEGREES OF FREEDOM......Page 24 1.4 DERIVATION OF THE APPLEBAUM-HOWELLS STEADY-STATE ADAPTED WEIGHT EQUATION IN EIGENSPACE......Page 25 1.5 CONDITIONS FOR COMPLETE CONSUMPTION OF N-DEGREES OF FREEDOM......Page 34 1.6 ORTHOGONAL INTERFERENCE SOURCES......Page 35 1.7 EIGENVALUES AND INR FOR TWO-ELEMENT ARRAY WITH TWO INTERFERENCE SOURCES......Page 38 1.8 FIGURE OF MERIT FOR CONSUMPTION OF DEGREES OF FREEDOM......Page 44 1.9 GRADIENT SEARCH TO MAXIMIZE CONSUMPTION OF ADAPTIVE ANTENNA DEGREES OF FREEDOM......Page 48 1.10 MAXIMUM JAMMER EFFECTIVENESS, NUMERICAL RESULTS......Page 51 1.11 SUMMARY......Page 55 1.12 PROBLEM SET......Page 56 References......Page 57 2.2 DISPLACED PHASE CENTER ANTENNA CONCEPT FOR CLUTTER SUPPRESSION......Page 59 2.3 THEORY......Page 65 2.4 RESULTS......Page 75 2.5 SUMMARY......Page 87 2.6 PROBLEM SET......Page 88 References......Page 89 3.1 INTRODUCTION......Page 91 3.2 THEORY......Page 95 3.3 NEAR-FIELD FORMULATION......Page 98 3.4 RESULTS......Page 105 3.6 PROBLEM SET......Page 124 References......Page 125 4.1 INTRODUCTION......Page 127 4.2 THEORY......Page 129 4.3 RESULTS......Page 136 4.4 SIDELOBE CANCELLER ADAPTIVE ARRAY BEHAVIOR......Page 139 4.5 SUMMARY......Page 145 References......Page 146 5.1 INTRODUCTION......Page 149 5.2 NEAR-FIELD/FAR-FIELD SOURCE WAVEFRONT DISPERSION......Page 154 5.3 FOCUSED NEAR-FIELD TESTING CONCEPT......Page 155 5.4 ADAPTIVE DPCA RADAR CONCEPT......Page 157 5.5 ADAPTIVE DPCA ARRAY FORMALISM......Page 159 5.6 ARRAY ANTENNA/SOURCE MODELING......Page 163 5.7 DPCA NEAR-FIELD SOURCE DISTRIBUTION......Page 165 5.8 NEAR-FIELD/FAR-FIELD SIMULATIONS......Page 166 5.9 SUMMARY......Page 173 5.10 PROBLEM SET......Page 174 References......Page 175 6.1 INTRODUCTION......Page 177 6.2 ADAPTIVE NULLING SYSTEM DESCRIPTION......Page 178 6.3 PROTOTYPE PHASED ARRAY AND SIMULATION MODEL......Page 185 6.4 RESULTS......Page 187 References......Page 190 7.1 INTRODUCTION......Page 193 7.2 MBA DESIGN AND CONSTRUCTION......Page 194 7.3 MEASURED RESULTS......Page 200 7.4 SUMMARY......Page 204 References......Page 205 8.1 INTRODUCTION......Page 207 8.2 THEORETICAL BACKGROUND......Page 208 8.3 EXAMPLE MEASUREMENTS OF ARRAY MUTUAL COUPLING AND ARRAY ELEMENT GAIN PATTERN......Page 224 8.4 SUMMARY......Page 227 References......Page 228 9.1 INTRODUCTION......Page 231 9.2 MONOPOLE PHASED ARRAYS......Page 233 9.3 THEORY FOR ANALYSIS OF FINITE ARRAYS OF MONOPOLES......Page 235 9.4 THEORY FOR ANALYSIS OF INFINITE ARRAYS OF MONOPOLES......Page 245 9.5 RESULTS......Page 258 9.6 SUMMARY......Page 271 9.7 PROBLEM SET......Page 272 References......Page 273 10.1 INTRODUCTION......Page 275 10.2 MONOPOLE PHASED ARRAY ANTENNA DESIGN......Page 276 10.3 THEORETICAL FORMULATION FOR THE ELECTRIC FIELD COMPONENTS......Page 277 10.4 RESULTS......Page 280 References......Page 288 11.1 INTRODUCTION......Page 291 11.2 DISPLACED PHASE CENTER ANTENNA CLUTTER CANCELLATION......Page 292 11.3 DISPLACED PHASE CENTER ANTENNA NEAR-FIELD MEASUREMENT TECHNIQUE......Page 294 11.4 RESULTS......Page 299 References......Page 305 12.1 INTRODUCTION......Page 307 12.2 THEORY......Page 309 12.3 LOW-SIDELOBE PHASED ARRAY ANTENNA PROTOTYPE......Page 321 12.4 NEAR-FIELD MEASUREMENTS SYSTEM......Page 323 12.5 RESULTS......Page 325 12.6 SUMMARY......Page 333 References......Page 335 13.1 INTRODUCTION......Page 337 13.3 LOOP-FED SLOTTED CYLINDER ANTENNA......Page 338 13.4 RESULTS......Page 339 References......Page 348 14.2 THEORY......Page 351 14.3 DIPOLE ELEMENT PROTOTYPES DESCRIPTION......Page 356 14.4 MEASUREMENTS OF SINGLE STRAIGHT DIPOLE AND V-DIPOLE ELEMENTS ABOVE A GROUND PLANE......Page 357 14.6 MEASURED ARRAY MUTUAL COUPLING RESULTS......Page 359 14.7 CENTER ELEMENT GAIN PATTERN MEASUREMENTS AND SIMULATIONS......Page 362 14.8 SUMMARY......Page 364 References......Page 365 15.2 ULTRAWIDEBAND DIPOLE ARRAY DESIGN......Page 367 15.3 MEASURED RESULTS FOR PROTOTYPE ULTRAWIDEBAND ARRAY......Page 372 15.4 SUMMARY......Page 373 References......Page 374 16.1 INTRODUCTION......Page 375 16.2 ARRAY FORMULATION......Page 377 16.3 RESULTS......Page 390 16.4 SUMMARY......Page 395 References......Page 399 About the Author......Page 403 Index......Page 405