СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДВУХ НЕЗАВИСИМО ОРИЕНТИРУЕМЫХ ЛЕПЕСТКОВ В ДИАГРАММЕ НАПРАВЛЕННОСТИ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ Российский патент 2005 года по МПК H01Q3/26 G01S3/38 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для формирования двухлепестковых диаграмм направленности (ДН) с независимым сканированием каждого из лепестков (лучей).

В известных способах сканирование луча фазированной антенной решетки (ФАР) осуществляют путем непрерывного или дискретного управления фазами в каналах излучателей.

Известен способ сканирования луча ФАР, основанный на дискретизации в каналах излучателей фаз, соответствующих линейному фазовому фронту, обеспечивающему установку луча в заданном направлении [1].

Существо известного способа (применительно к N-элементной линейной ФАР, расположенной вдоль оси z) заключается в следующем. Сигнал передатчика распределяют в равных долях или в ином соотношении между каналами излучателей, в n-м из которых (n=0,1..N-1) фазу сигнала устанавливают дискретной в соответствии с соотношением

где Δ - дискрет фазирования,

Ent(x) - целая часть числа х,

q - константа округления (обычно q=0.5),

k=2·π/λ, λ - длина волны,

d_z - шаг решетки,

θ_0z - требуемый угол ориентации луча относительно оси z.

При таком фазировании диаграмма направленности ФАР имеет один главный лепесток, максимум которого ориентирован примерно в направлении θ_0z.

Недостатком известного способа сканирования является то, что он не может сформировать ДН с двумя главными лепестками, ориентированными в произвольных направлениях. В то же время известно, что функциональные возможности многих радиотехнических систем могут быть значительно расширены, если антенная решетка способна оперативно изменять количество независимо ориентируемых лучей в диаграмме направленности.

Предлагаемый способ направлен на устранение упомянутого недостатка. На фиг.1 представлены диаграммы направленности линейной ФАР с двумя независимо ориентированными главными лепестками (сплошная линия) и с двумя симметрично отклоненными от нормали к решетке лепестками (штриховая линия). На фиг.2-3 приведены объемные ДН плоской ФАР, а на фиг.4-5 - их конические сечения, проходящие через главные лепестки объемной ДН. В линейной АР число излучателей N=20, в плоской АР N_x×N_y (N_x=20, N_y=20), шаг решетки во всех случаях был равен d=0.5λ.

Рассмотрим существо упомянутого способа. Как и в прототипе, сигнал передатчика распределяют между каналами излучателей, после чего фазу сигналов в каналах излучателей также устанавливают дискретной. Однако в отличие от прототипа фазовый сдвиг в канале каждого излучателя устанавливают равным сумме двух дискретных фаз, одна из которых соответствует бинарной (0, π) дискретизации фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ'_z, а вторая - дискретизации с более мелким шагом фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ''_z, причем для независимого наведения первого и второго главных лепестков в направления θ_1z и θ_2z углы θ'_z и θ''_z выбирают в соответствии с соотношениями

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявленный способ отличается тем, что изменены условия выполнения операции дискретизации фаз в каналах излучателей, поскольку фазовый сдвиг в канале каждого излучателя устанавливают равным сумме двух дискретных фаз, одна из которых соответствует бинарной (0, π) дискретизации фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ'_z а вторая - дискретизации с более мелким шагом фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ''_z, причем для независимого наведения первого и второго главных лепестков в направления θ_1z и θ_2z углы θ'_z и θ''_z выбирают в соответствии с соотношениями (3)-(4).

Рассмотрим предлагаемый способ вначале на примере линейной ФАР изотропных излучателей, ориентированной вдоль оси z сферической системы координат.

Выше было показано, что для ориентации луча в направлении θ_0z при непрерывном и дискретном фазировании фазы излучателей устанавливаются в соответствии с формулами (2) и (1) соответственно, из которых следует, что при необходимости ориентировать луч в симметричном относительно нормали к решетке направлении 180°-θ_0z соответствующие фазовые сдвиги будут отличаться от (2) и (1) только знаком, поскольку cos(180°-θ_z)=-cosθ_0z. Поскольку при фазировании с дискретом π Ψ_n ^дискр кратно π, то разность фаз в n-м элементе, необходимых для ориентации луча в направления θ_0z и 180°-θ_0z, кратна 2π. Поэтому, в ДН, помимо лепестка в направлении θ_0z, сформируется лепесток в направлении 180°-θ_0z.

Убедиться в этом можно, рассчитав диаграмму направленности решетки по формуле

На фиг.1 штриховой линией представлены результаты расчета по формуле (5) при θ_0z=50°. Очевидно ДН линейной ФАР при фазировании с дискретом π содержит два луча, ориентированных симметрично относительно экваториальной плоскости. Точно такие же два луча формируются в ДН и при ориентации луча в направлении 180°-θ_0z.

Если при непрерывном фазировании фазовый сдвиг в n-м излучателе установить равным сумме двух фаз

и

соответствующих ориентации луча в направлениях θ'_z и θ''_z соответственно, то максимум ДН установится в направлении θ_1z, которое связано с углами θ'_z и θ''_z соотношением

которое несложно получить, приравняв выражение (2) сумме выражений (6) и (7).

При дискретизации ψ1_n с дискретом π, а ψ2_n с более мелким (например, π/4) дискретом, помимо луча, ориентированного в направлении θ_1z, сформируется луч в направлении θ_2z, которое определяется из соотношения

Поочередно вычитая и суммируя выражения (8) и (9), получим

Из выражений (10) и (11) непосредственно следуют приведенные выше соотношения (3) и (4) для углов θ'_z и θ''_z.

На фиг.1 сплошной линией представлена диаграмма направленности линейной ФАР с двумя главными лепестками, ориентированными в заданных направлениях (θ_1z=50°, θ_2z=150°), рассчитанная по формуле (5), где ψ_n ^дискр определен формулой

где

Предложенный способ пригоден и для формирования двух независимо ориентированных лепестков в объемной ДН ФАР. Применительно к плоской эквидистантной АР изотропных излучателей, расположенных в плоскости хоу с шагом d_x и d_y вдоль осей х и у соответственно, предложенный способ формирования двух независимо ориентированных лепестков в объемной ДН АР с дискретными фазовращателями бинарного типа реализуется, если фазу излучателя, стоящего на пересечении строки с номером n_x и столбца с номером n_y, устанавливать в соответствии с соотношениями

где

Здесь через θ_1x, θ_1у, θ_2x, θ_2у обозначены заданные углы ориентации первого и второго лучей относительно положительных направлений осей x и у соответственно.

На фиг.2-5 приведен пример реализации предложенного способа применительно к плоской ФАР при θ_1x=50, θ_1у=50, θ_2x=120, θ_2y=60. На фиг.2 и 3 представлены ДН в виде поверхностей и в виде линий уровня соответственно. Конические сечения объемных ДН, соответствующие фиксированным значениям θ_1x, θ_2x либо θ_1y, θ_2y, приведены на фиг.4 и 5.

Объемные ДН рассчитывались по формуле

Из фиг.1-5 следует, что изменение условий выполнения операции дискретизации фаз в каналах излучателей, заключающееся в том, что фазовый сдвиг в канале каждого излучателя устанавливают равным сумме двух дискретных фаз, одна из которых соответствует бинарной (0, π) дискретизации фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ'_z, а вторая - дискретизации с более мелким шагом фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ''_z, причем для независимого наведения первого и второго главных лепестков в направления θ_1z и θ_2z углы θ'_z и θ''_z выбирают в соответствии с соотношениями (3)-(4), приводит к возможности формирования в ДН двух независимо ориентируемых лучей.

Источник информации

Дерюгин Л.Н., Зимин Д.Б. Коммутационный метод управления лучом//«Радиотехника и электроника», 1964, №3, с.19.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для формирования двухлепестковых диаграмм направленности с независимым сканированием каждого из лепестков. Техническим результатом является формирование диаграммы направленности с двумя главными лепестками, ориентированными в произвольных направлениях. Способ формирования двух независимо ориентируемых лепестков в диаграмме направленности фазированной антенной решетки основан на дискретизации фазовых сдвигов в каналах излучателей, при этом фазовый сдвиг в канале каждого излучателя устанавливают равным сумме двух дискретных фаз, одна из которых соответствует бинарному, т.е. с дискретом π, квантованию фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ′_z, а вторая - квантованию с более мелким шагом фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ″_z, причем для независимого наведения первого и второго главных лепестков в направления θ_1z и θ_2z углы θ′_z и θ″_z выбирают в соответствии с определенными соотношениями. 5 ил.

Способ формирования двух независимо ориентируемых лепестков в диаграмме направленности фазированной антенной решетки, основанный на дискретизации фазовых сдвигов в каналах излучателей, отличающийся тем, что фазовый сдвиг в канале каждого излучателя устанавливают равным сумме двух дискретных фаз, одна из которых соответствует бинарному, т.е. с дискретом π, квантованию фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ'_z, а вторая - квантованию с более мелким шагом фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ''_z, причем для независимого наведения первого и второго главных лепестков в направления θ_1z и θ_2z углы θ'_z и θ''_z выбирают в соответствии с соотношениями

θ'_z=arccos[(cosθ_1z-cosθ_2z)/2];

θ''_z=arccos[(cosθ_1z+cosθ_2z)/2].