МНОГОЛУЧЕВАЯ САМОФОКУСИРУЮЩАЯСЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2016 года по МПК H01Q3/36 H01Q21/00 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антенной технике, и может быть использовано в радиотехнических системах связи размещаемых на борту космических аппаратов, функционирующих в сложной сигнально-помеховой обстановке, например, в системах космической связи с подвижными объектами.

Известны самофокусирующиеся адаптивные антенные решетки [Choc R Electronically adaptive antenna systems. IEEE Trans., 1964, v. AP-12, №2], осуществляющие прием сигналов с произвольным фронтом падающей волны, однако они не являются приемопередающими.

Известны также приемопередающие самофокусирующиеся антенные решетки (СФАР) осуществляющие формирование диаграммы направленности (ДН) антенны в направлении потребителя, основанные на методах обращения волнового фронта принимаемого сигнала [Хейес, К. Экспериментальные исследования фазово-сопряженной адаптивной системы ИК диапазона / К. Хейес, Р. Брендви, В. Девис, Г. Миверс // Адаптивная оптика: сборник статей. Изд-во Мир, 1980. - С. 28-53.], многоканальной фазовой модуляции [О′Мира, Т. Метод многоканальной фазовой модуляции в адаптивной оптике /Т. О′Мира // Адаптивная оптика: сборник статей. Изд-во Мир, 1980. - С. 140-168.], в которых контроль качества фокусировки выполнялся на основе анализа спектра изменений амплитуды сигнала, отраженного от цели, в том числе, вызванных синусоидальной вобуляцией фазы сигналов, излучаемых отдельными элементами СФАР с различными частотами, обеспечивающими независимость управления.

К недостаткам указанных СФАР следует отнести то, что они одноканальны по числу потребителей, пространственное положение которого должно быть заранее известно с точностью до полуширины диаграммы направленности (ДН) антенны. Использование их в работе с несколькими потребителями приводит к неоправданному возрастанию сложности технического исполнения.

Кроме того, известна ретрансляционная антенная решетка [Andre S. Leonard D. An active retrodirective array for satellite communication. IEEE Trans, 1964, v. AP-12, №2, p. 181-186], используемая в системах спутниковой связи, размещаемая на борту космического аппарата (КА) для передачи телерадиометрической информации потребителю. Для этого потребитель посылает запросный сигнал, который принимается решеткой излучателей, соединенных с фазирующей матрицей, выходы которой соответствуют тридцати двум фиксированным положением луча. После сравнения уровней принятых сигналов в каждом из тридцати двух каналов, переключающая матрица подключает генератор к тому каналу, в котором уровень был максимальным.

Недостатком этой антенной решетки является относительно узкие функциональные возможности, поскольку луч ее ДН может занимать только фиксированное положение в пространстве, что приводит к ухудшению связи с подвижными потребителями.

Помимо указанных выше, известно устройство [RU 2366047, С1, H01Q 21/00, 27.08.2009], содержащее N антенных элементов, соединенных через комплексные весовые умножители с соответствующими входами общего сумматора, блок формирования вектора весовых коэффициентов с управляющим входом, соединенным с устройством ввода информации о возможном направлении прихода сигнала, при этом входы блока формирования вектора весовых коэффициентов соединены с выходами соответствующих антенных элементов, а выходы блока формирования вектора весовых коэффициентов подключены к управляющим входам соответствующих комплексных весовых умножителей.

В этом устройстве блок формирования вектора весовых коэффициентов состоит из аналого-цифрового преобразователя, конвертора, блока комплексного умножения, блока вычисления собственного вектора, блока формирования тестового сигнала, блока вычисления направлений на источник радиоизлучения, блока анализа данных, причем, выходы антенных элементов соединены с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя, выходы которого подключены к соответствующим входам конвертора, выходы конвертора соединены с соответствующими входами блока комплексного умножения, выходы которого подключены к соответствующим входам блока вычисления собственного вектора, выходы блока формирования тестового сигнала подключены к соответствующим входам блока вычисления направлений на источник радиоизлучения и блока анализа данных, выходы блока вычисления собственного вектора подключены к соответствующим входам блока вычисления направлений на источник радиоизлучения, выход которого подключен к соответствующему входу блока анализа данных, вход которого соединен с устройством ввода информации о возможном направлении прихода сигнала, выходы блока анализа данных подключены к управляющим входам соответствующих комплексных весовых умножителей, причем входы аналого-цифрового преобразователя являются входами, вход блока анализа данных - управляющим входом, а выходы блока анализа данных - соответственно выходами блока формирования вектора весовых коэффициентов.

Недостатком этого устройства также является относительно узкие функциональные возможности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является, выбранная в качестве прототипа, активная фазированная антенная решетка (АФАР) [Активные фазированные антенные решетки / А.Н. Братчиков, В.И. Васин, О.О. Василенко, Е.Н. Воронин и др. под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004. - 488 с.] содержащая N×L приемопередающих элементов (ППЭ), объединенных в N секций (групп) по L антенн в каждой, каждая из которых через согласующее звено соединена с переключателем "прием-передача" (ППП) соответствующего приемопередающего модуля (ППМ), образующих апертуру АФАР, диаграммообразующий блок (ДОС), состоящий из усилителей, фазовращателей (ФВ), делителей мощности, осуществляющую формирование луча диаграммы направленности (ДН) АФАР на передачу, устройство управления положением ДН АФАР, задающий генератор, приемное устройство, таким образом, что выход задающего генератора через делитель мощности соединен с входом соответствующего ФВ ДОС, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом устройство управления положением ДН АФАР. Выход каждого из ФВ ДОС соединен с входом соответствующего усилителя мощности ДОС, выход которого через соответствующий делитель мощности соединен с соответствующим входом каждого ППМ соответствующей секции апертуры АФР. Выход каждого из ППМ каждой секции АФАР соединен с соответствующим входом приемного устройства, управляющий выход которого соединен с управляющим входом ФВ и аттенюатора приемного канала соответствующего ППМ соответствующей секции АФАР.

Передающий канал АФАР прототипа создает канал связи, пространственные характеристики которого определяются ДН, образовываемой в соответствии с выражением:

где - поканальный фазовый набег АР; d - расстояние между слабонаправленными антеннами АФАР; λ - длина волны излучения; θ - угол, отсчитываемый от нормали к АР, в направлении потребителя, находящегося под углом θ к нормали антенны.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, что обусловливается тем, что, если активная фазированная антенная решетка (АФАР) имеет относительный пространственным размер

где N - число секций в апертуре АФАР, L - число элементов в секции АФАР; λ - длина волны излучения, существенно превышающий единицу, то наблюдается существенное снижение уровня сигнала принимаемого потребителем в создаваемом ей канале связи, что, как следствие, приводит снижению отношения сигнал/шум и, следовательно, к снижению помехозащищенности этого канала связи.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства и создание многолучевой самофокусирующейся антенной решетки, при использовании которой поддерживается примерно постоянный уровень сигнала, принимаемого потребителем в создаваемом ей канале связи, независимо от относительного пространственного размера многолучевой самофокусирующейся антенной решетки.

Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем введения дополнительного арсенала технических средств, обеспечивающих условия, при которых поддерживается примерно постоянный уровень сигнала, принимаемого потребителем в создаваемом многолучевой самофокусирующейся антенной решеткой канале связи, независимо от ее относительного пространственного размера.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее N секций по L приемопередающих элементов и по L приемопередающих модулей, вход-выход каждого из которых соединен с входом выходом соответствующего ему приемопередающего элемента, диаграммообразующий блок, состоящий из N цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные управляемый фазовращатель, усилитель мощности и делитель мощности, группа выходов каждого из которых соединена с первыми входами приемопередающих модулей соответствующей ему секции, задающий генератор, делитель сигнала задающего генератора, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а каждый выход группы выходов соединен со входом соответствующего управляемого фазовращателя, блок управления положением диаграммы направленности, каждый выход группы выходов которого соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, а также приемный блок, группа входов которого соединена с выходами приемопередающих модулей, согласно предложенного изобретения, введены N×L аналого-цифровых преобразователей, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего ему приемопередающего модуля, N цифровых вычислителей юстировочных коэффициентов, входы каждого из которых соединены с выходами аналого-цифровых преобразователей, входы которых соединены с выходами приемопередающих модулей соответствующей секции, цифровой блок сопоставления, входы которых соединены с выходами N цифровых вычислителей юстировочных коэффициентов, а каждый из выходов соединен со вторым входом соответствующего приемопередающего модуля, третьи входы которых соединены с выходом приемного блока.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что приемопередающий модуль выполнен в виде последовательно соединенных первого согласующего усилителя, вход которого является первым входом приемопередающего модуля, первый аттенюатор, второй согласующий усилитель, первый фазовращатель, второй вход которого объединен со вторым входом первого аттенюатора и является вторым входом приемопередающего модуля, третий согласующий усилитель, предварительный усилитель мощности, оконечный усилитель мощности, переключатель, вход-выход которого является входом-выходом приемопередающего модуля, второй защитный блок, малошумящий усилитель, четвертый согласующий усилитель, второй фазовращатель, пятый согласующий усилитель, второй аттенюатор, второй вход которого объединен со вторым входом малошумящего усилителя и является третьим входом приемопередающего модуля, и шестой согласующий усилитель, выход которого является выходом приемопередающего модуля.

Изобретение поясняется чертежами, представленными на фигурах 1 и 2, и рисунками и графиками, представленными на фигурах 3-7.

На фиг. 1 - электрическая структурная схема многолучевой самофокусирующейся антенной решетки (АФАР);

На фиг. 2 - электрическая структурная схема приемопередающего модуля;

На фиг. 3 - фазовый фронт юстировочного сигнала на апертуре многолучевой самофокусирующейся антенной решетки;

На фиг. 4 - результаты имитационного моделирования работы цифровых вычислителей юстировочных коэффициентов для Μ=2, где Μ - число потребителей;

На фиг. 5 - результаты имитационного моделирования работы цифровых вычислителей юстировочных коэффициентов АФАР для М=3, где Μ - число потребителей;

На фиг. 6 - результаты расчета нормированного амплитудного распределение, формируемое многолучевой самофокусирующейся антенной решетки в картинной плоскости потребителя;

На фиг. 7 - результаты расчета относительного снижения коэффициента направленного действия многолучевой самофокусирующейся антенной решетки.

На чертежах обозначены:

1 - приемопередающий элемент (ППЭ), осуществляющий прием/передачу СВЧ-сигнала, который может быть выполнен в виде полосковой антенны [Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток / под ред. Д.И. Воскресенского. М.: Радиотехника, 2003, 631 с.];

2 - приемопередающий модуль (ППМ), осуществляющий формирование заданного уровня СВЧ-мощности при излучении многолучевой самофокусирующейся антенной решетки, прием СВЧ-сигналов, раздельное управление амплитудой и фазой излучаемых и принимаемых СВЧ-сигналов с обеспечением требуемой глубины регулировки, точности установки и стабильности во времени [Активные фазированные антенные решетки / А.Н. Братчиков, В.И. Васин, О.О. Василенко, Е.Н. Воронин и др. под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004. - 488 с.], может быть выполнен, например, на базе субмодуля СВЧ "Охота" разработки ОАО "НПП "Исток" им. Шокина" [, , +7 (495) 465-86-66];

4 - усилитель мощности (УМ) осуществляет усиление входного сигнала, может быть выполнен, например, на базе твердотельного усилителя мощности М421224-3-4 разработки ОАО "НПП "Исток" им. Шокина" [, ,+7 (495) 465-86-66];

5 - управляемый фазовращатель (УФВ), осуществляет изменение фазы проходящего сигнала (волны), может быть выполнен на базе фазовращателя дискретного типа [например, патент RU 2515556];

6 - делитель сигнала задающего генератора, обеспечивающий распределение сигнала от одного источника (задающего генератора) по "N" каналам АФАР, может быть выполнен на базе многоканального делителя мощности, осуществляющий деление на N [например, патент SU 1100665 А];

7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), осуществляет преобразование принятого СВЧ-сигнала в цифровую форму, который может быть выполнен, например, на базе субмодуля ADM214×10M, устанавливаемого в разъем ADMX базовых модулей [, ., ЗАО "Инструментальные системы"];

8 - приемный блок АФАР может быть выполнено на базе супергетеродинного приемного устройства, см., например, [Педак, A.M. Справочник по основам радиолокационной техники / A.M. Педак и др. Под редакцией В.В. Дружинина. - Военное издательство, 1967, с. 343-344, рис. 8.1];

9 - задающий генератор, осуществляет формирование сигнала, излучаемого АФАР, может быть выполнен на базе твердотельного генератора малой мощности, например, разработки ОАО "НПП "Исток" им. Шокина" [, , +7 (495) 465-86-66];

10 - цифровой вычислитель юстировочных коэффициентов (ЮК) w_m, , необходимых для раздельной (по потребителям) фокусировки заявляемой АФАР, реализует алгоритм их оценки в соответствии с [Зайцев, А.Г. Алгоритм пространственного разделения коррелированных сигналов источников излучения / А.Г. Зайцев, В.М. Мачулин, И.П. Шепеть, С.В. Ягольников // Радиотехника. - 2001. - №5. - С. 92-95] по критерию минимума дисперсии ошибки [Кузьмин, С.З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию / С.З. Кузьмин. - Киев: изд. КВIЦ, 2000, с. 45-47], может быть выполнен на базе цифрового процессора обработки сигналов, например, микросхеме TMS320C30 [см. Цифровые процессоры обработки сигналов: Справочник. / А.Г. Остапенко, С.И. Лавлинский, А.Б. Сушков и др., Под ред. А.Г. Остапенко. - М.: Радио и связь, 1994. - с. 88];

11 - цифровой блок сопоставления определяет соответствие номера потребителя значению соответствующего коэффициента в векторе ЮК соответствующей секции АФАР, алгоритм работы которого основан, например, на исследовании функционала [Караваев, В.В. Статистическая теория пассивной локации / В.В. Караваев, В.В. Сазонов. - М.: Радио и связь, 1987. - 240 с.]:

где - МП-оценка корреляционной матрицы сигнала, принятого первыми элементами каждой из секции полотна АФАР; - матрица, составленная из векторов , , , ,

и состоит в нахождении сочетаний, например, методом перебора [Виленкин, Н.Я. Комбинаторика / Н.Я. Виленкин. - М.: Наука, 1969. - 328 с.], значений координат , , векторов , при котором функционал Q достигает своего максимума, может быть выполнено на базе цифрового процессора обработки сигналов, например, микросхеме TMS320C30 [см. Цифровые процессоры обработки сигналов: Справочник. / А.Г. Остапенко, С.И. Лавлинский, А.Б. Сушков и др., Под ред. А.Г. Остапенко. - М: Радио и связь, 1994. - с. 88];

12 - блок управления положением диаграммы направленности (ДН) АФАР в пространстве является цифровым вычислителем, реализующим известный алгоритм расчета распределения состояний фазовращателей АФАР и формирования луча в заданном угловом направлении, см., например, [Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, т. 2. - М.: Сов. радио, 1977, с. 141-143].

При этом многолучевая самофокусирующаяся антенная решетка содержит N секций по L приемопередающих элементов 1 и по L приемопередающих модулей 2, вход-выход каждого из которых соединен с входом выходом соответствующего ему приемопередающего элемента 1.

Кроме того, многолучевая самофокусирующаяся антенная решетка содержит диаграммообразующий блок, состоящий из N цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные управляемый фазовращатель 5, усилитель 4 мощности и делитель 3 мощности, группа выходов каждого из которых соединена с первыми входами приемопередающих модулей 2 соответствующей ему секции, задающий генератор 9, делитель 6 сигнала задающего генератора, вход которого соединен с выходом задающего генератора 9, а каждый выход группы выходов соединен со входом соответствующего управляемого фазовращателя 5, блок 12 управления положением диаграммы направленности, каждый выход группы выходов которого соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя 5, а также приемный блок 8, группа входов которого соединена с выходами приемопередающих модулей 2.

Как указано выше, многолучевая самофокусирующаяся антенная решетка содержит также N×L аналого-цифровых преобразователей 7, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего ему приемопередающего модуля 2, N цифровых вычислителей 10 юстировочных коэффициентов, входы каждого из которых соединены с выходами аналого-цифровых преобразователей 7, входы которых соединены с выходами приемопередающих модулей 2 соответствующей секции, цифровой блок 11 сопоставления, входы которых соединены с выходами N цифровых вычислителей 10 юстировочных коэффициентов, а каждый из выходов соединен со вторым входом соответствующего приемопередающего модуля 2, третьи входы которых соединены с выходом приемного блока 8.

Приемопередающий модуль 2, представленный на фиг. 2, выполнен в виде последовательно соединенных первого согласующего усилителя 13, вход которого является первым входом приемопередающего модуля, первый аттенюатор 14, второй согласующий усилитель 15, первый фазовращатель 16, второй вход которого объединен со вторым входом первого аттенюатора 14 и является вторым входом приемопередающего модуля, третий согласующий усилитель 17, предварительный усилитель 18 мощности, оконечный усилитель 20 мощности, переключатель 20, вход-выход которого является входом-выходом приемопередающего модуля, второй защитный блок 21, малошумящий усилитель 22, четвертый согласующий усилитель 23, второй фазовращатель 24, пятый согласующий усилитель 25, второй аттенюатор 26, второй вход которого объединен со вторым входом малошумящего усилителя 22 и является третьим входом приемопередающего модуля, и шестой согласующий усилитель 27, выход которого является выходом приемопередающего модуля.

Многолучевая самофокусирующаяся антенная решетка (АФАР) функционирует следующим образом.

Пусть в зоне ответственности заявляемой АФАР находится группа, состоящая из Μ потребителей. Требуется сформировать канал для передачи информации одному или нескольким потребителям, находящимся в группе, при априорной неопределенности относительно их пространственного положения в зоне ответственности АФАР.

Функционирование заявляемой АФАР осуществляется в два этапа.

1-й этап. Юстировка АФАР.

Существо этапа юстировки АФАР состоит в нахождении амплитудно-фазовых распределений (АФР), соответствующих каждому из потребителей группы, формирование которого(-ых) на раскрыве полотна АФАР осуществит ее фокусировку на потребителя(-ей), выбранного(-ых) из составы группы, при амплитудно-фазовых флуктуациях (АФФ) сигнала на трассе распространения "АФАР-потребитель" и априорной неопределенности относительно их пространственного положения в зоне ответственности АФАР.

Для этого блок 12 управления положением ДН осуществляет расчет распределения состояний управляемых фазовращателей 5 АФАР для формирования ДН в направлении нахождения Μ потребителей информации, пространственные координаты которых известны с точностью до границ зоны ответственности АФАР (значение управляющих сигналов для первого 16 и второго 24 фазовращателей в приемопередающих модулях 2 соответствует нулевому фазовому сдвигу).

Соответствующие значения состояний управляемых фазовращателей 5, рассчитанные блоком 12, подаются на управляющий вход соответствующих управляемых фазовращателей 5 по завершению установки которых, задающий генератору 9 формирует котировочный сигнал (ЮС), который через делитель 6 сигнала задающего генератора (делитель мощности на Ν) подается на вход каждого из управляемых фазовращателей 5, и проходя который, получает соответствующий фазовый сдвиг, после чего поступает на соответствующий усилитель 4 мощности, где усиливается и через соответствующий делитель 3 мощности (делитель мощности на L) через приемопередающий модуль 2 подается на приемопередающий элемент 1 (полосковую антенну) последующим излучением. Направление излучения юстировочного сигнала соответствует пространственному положению диаграммы направленности АФАР, определяемому значениями управляющих напряжений, подаваемых на управляемых фазовращателей 5.

Котировочный сигнал, излученный АФАР, переотражается (переизлучается) каждым из Μ потребителей обратно, в направлении АФАР и формирует на ее полотне аддитивную смесь, принимаемую (регистрируемую) каждым из приемопередающих элементов 1 [Ширман, Я.Д. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех / Я.Д. Ширман, В.Н. Манжос. - М.: Радио и связь, 1981. - 416 с.]:

где - вектор сигнала, принимаемого АФАР; , - вектор сигнала, принимаемого n-ой секцией АФАР; y_i, - i-й пространственный отсчет сигнала, принимаемого i-м приемопередающим элементом 1 АФАР; , - вектор переотраженного (переизлученного) ЮС, формируемый m-м потребителем на полотне АФАР; , - вектор переотраженного (переизлученного) юстировочного сигнала, формируемого m-м потребителем на n-ой секции полотна АФАР; , i-й пространственный отсчет переотраженного (переизлученного) юстировочного сигнала, формируемого m-м потребителем на i-м приемопередающим элементе 1 полотна АФАР; - вектор пространственно-некоррелированного фонового излучения, включая шумы приемных каналов АФАР.

В заявляемой АФАР пространственный размер (длина) каждой из секций ее полотна выбирается исходя из условия линейности фазового фронта принимаемого юстировочного сигнала, переотраженного (переизлученного) каждым из потребителей в пределах каждой из секций, т.е.:

где - значение поканального фазового набега, создаваемого сигналом m-го потребителя на n-й секции полотна АФАР; d - расстояние между фазовыми центрами антенн приемопередающих элементов 1 полотна АФАР; - значение угловой координаты m-го потребителя относительно нормали к n-й секции полотна АФАР, что поясняется рисунком фиг. 3.

Переотраженный (переизлученный) котировочный сигнал, принятый каждым из приемопередающих элементов 1 через соответствующий ему приемопередающий модуль 2 подается на соответствующий АЦП 7, которые объединены в N групп по числу секций полотна АФАР, каждая из которых содержит L АЦП 7. Оцифрованные сигналы с выходов АЦП 7 каждой из групп поступает на соответствующее цифровой вычислитель 10 юстировочных коэффициентов, алгоритм работы которых основан на представлении сигнала, принятого n-ой секцией полотна АФАР и оцифрованного соответствующей группой АЦП 7 в виде параметрической модели [Защита радиолокационных систем от помех. Состояние и тенденции развития. / Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова. М.: Радиотехника, 2003. 416 с.]:

где - матрица Вандермонда [Гантмахер, Ф.Р. Теория матриц / Ф.Р. Гантмахер. - М.: Наука, 1988. - 552 с.], составленная из векторов столбцов, характеризующих волновой фронт юстировочного сигнала, переотраженного (переизлученного) потребителями, регистрируемый приемопередающим элементом 1 n-ой секции полотна АФАР; - вектор комплексных амплитуд юстировочного сигнала, переотраженного (переизлученного) потребителями, регистрируемый первым приемопередающим элементом 1 n-й секции полотна АФАР.

Введем обозначения - , , , что позволяет модель (2) представить в виде:

при условии .

В рамках заявляемой АФАР, система уравнений (5) рассматривается как параметрическая аппроксимация юстировочного сигнала, принятого приемопередающими элементами 1 n-й секцией полотна АФАР от Μ потребителей, находящихся в зоне Фраунгофера. В этом случае значения юстировочных коэффициентов , могут быть найдены из условия минимизации среднеквадратической ошибки аппроксимации юстировочного сигнала, принятого приемопередающими элементами 1 n-й секции полотна АФАР моделью (6) [Марпл-мл., С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения / С.Л. Марпл-мл. - М.: Мир, 1990. - 584 с.]:

где - вектор параметров модели (6); - значение вектора параметров Wⁿ, при котором целевой функционал достигает своего минимума; - целевой функционал, являющийся дисперсией ошибки аппроксимации юстировочного сигнала от Μ потребителей, принятого n-й секцией полотна АФАР:

Вектор параметров Wⁿ определяет котировочный сигнал, принятый приемопередающим элементом 1 n-й секцией полотна АФАР, в котором значение фазы , определяет поканальный (относительно первого приемопередающего элемента 1 n-й секцией полотна АФАР) фазовый набег юстировочного сигнала m-го потребителя на n-й секции полотна АФАР.

Вектор параметров W=(W¹,W²,K,W^N)^T определяет юстировочный сигнал, принятый АФАР.

Задача оценки значений вектора параметров Wⁿ, при котором функционал достигает своего минимума, рассматривается как задача нелинейной фильтрации [Тихонов, В.И. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем / В.И. Тихонов, В.Н. Харисов. - М.: Радио и связь, 1991. - 608 с.], в рамках которой уравнение наблюдения сигнала (3), принятого n-й секцией полотна АФАР представляется в виде [Ширман, Я.Д. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех / Я.Д. Ширман, В.Н. Манжос. - М.: Радио и связь, 1981. - 416 с.]:

где - вектор пространственно-некоррелированного фонового излучения, включая шумы приемных каналов n-й секции полотна АФАР, а динамика изменения вектора параметров Wⁿ задается моделью вида [Зайцев, А.Г. Алгоритм пространственного разделения коррелированных сигналов источников излучения / А.Г. Зайцев, В.М. Мачулин, И.П. Шепеть, С.В. Ягольников // Радиотехника. - 2001. - №5. - С. 92-95]:

где - диагональная матрица с элементами, характеризующими скорость изменения вектора параметров Wⁿ; - вектор формирующего белого шума с матрицей дисперсий (I - единичная матрица).

В рамках рассмотренных моделей указанная задача решается в гауссовом приближении [Тихонов, В.И. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем / В.И. Тихонов, В.Н. Харисов. - М.: Радио и связь, 1991. - 608 с.], что позволяет алгоритм работы цифровых вычислителей 10 юстировочных коэффициентов определить следующими уравнениями [Зайцев, А.Г. Алгоритм пространственного разделения коррелированных сигналов источников излучения / А.Г. Зайцев, В.М. Мачулин, И.П. Шепеть, С.В. Ягольников // Радио-техника. - 2001. - №5. - С. 92-95]:

уравнением оценки вектора измеряемых параметров:

где Εⁿ=Yⁿ-AⁿBⁿ - векторный сигнал ошибки аппроксимации ЮС, принятого приемопередающего элемента 1 n-й секции полотна АФАР моделью (9);

уравнением корреляционной матрицы ошибок фильтрации:

где ;

уравнением коэффициента усиления:

На фиг. 4, 5 представлены результаты имитационного моделирования работы цифровых вычислителей 10 юстировочных коэффициентов, в соответствии с уравнениями (11)-(13). Моделировалась двухцелевая ситуация, когда потребители находились под углами к нормали АФАР соответственно θ₁=5°, θ₁=25° (фиг. 4) и трех целевая ситуация - θ₁=10°, θ₁=30°, θ₁=-45° (фиг. 5), при количестве приемопередающих элементов 1 в каждой из секций полотна АФАР равным L=10 и отношении сигнал/шум равном 3 дБ. Результаты имитационного моделирования подтверждают работоспособность алгоритмов работы цифровых вычислителей 10 юстировочных коэффициентов.

Каждый из N цифровых вычислителей 10 юстировочных коэффициентов, в соответствии с уравнениями (11)-(13) осуществляет оценку вектора юстировочных коэффициентов , первые Μ координат которого определяют межэлементный (относительно первого (опорного) приемопередающего элемента 1 соответствующей секции АФАР) фазовый набег юстировочного сигнала m-го потребителя:

где ; - значение угловой координаты m-го потребителя относительно нормали к n-й секции АФАР, а оставшиеся Μ координат вектора юстировочных коэффициентов , - комплексные амплитуды m-го юстировочного сигнала на первом (опорном) приемопередающего элемента 1 секции АФАР.

Результатом работы N цифровых вычислителей 10 юстировочных коэффициентов заявляемой АФАР является сформированное множество векторов , , которые поступают в цифровой блок 11 сопоставления, в котором определяется соответствие номера потребителя значению соответствующего коэффициента в векторе юстировочных коэффициентов соответствующей секции АФАР.

Результатом работы цифрового блока 11 сопоставления является множество векторов , , характеризующих поканальный фазовый набег на каждой из секции полотна АФАР формируемый юстировочным сигналом, соответствующий m-му потребителю.

По команде блока 12 сигналы управления, определяемые значениями координат вектора , соответствующего m-му потребителю, выбранного для формирования с ним канала связи, подаются на управляющие входы первого фазовращателя 16 каждого l-го приемопередающего модуля 2 n-й секции полотна АФАР в соответствии с правилом:

где - сигнал управления подаваемый на управляющий вход первого фазовращателя 16 n-й секции полотна АФАР, соответствующий устанавливаемому фазовому сдвигу, равному: .

Установлением значений соответствующих фазовых сдвигов на управляющих входах первого фазовращателя 16 каждого приемопередающего модуля 2 соответствующих секций полотна АФАР завершается этап юстировки АФАР.

2 этап. Излучение сигнала.

Сигнал, требуемый для передачи m-му потребителю, сгенерированный задающим генератором 9 через делитель 6 подается на вход каждого из управляемых фазовращателей 5 передающего канала АФАР, пройдя который, получает фазовый сдвиг в соответствии со значением, установленным на его управляющем входе блоком 12 управления положением диаграммы направленности АФАР, подается на вход усилителя 4 мощности, где усиливается и через соответствующий делитель 3 мощности и соответствующий приемопередающий модуль 2 подается на соответствующий приемопередающий элемент 1 с последующим излучением в пространство в направлении m-го потребителя.

В соответствии с вышеизложенным множитель направленности заявляемой АФАР в направлении m-го потребителя записывается в виде [Сазонов, Д.М. Антенны и устройства СВЧ / Д.М. Сазонов. - М.: Высш. Шк., 1988. - 432 с.]:

где - комплексная амплитуда возбуждения излучателя с номером "n", определяется управляющим сигналом, подаваемым блоком 12 управления положением диаграммы направленности АФАР на управляющий вход управляемого фазовращателя 5 соответствующей секции полотна АФАР.

Внутренняя сумма в (16) определяет диаграмму направленности секции АФАР, внешняя - компенсацию фазового набега на трассе распространения "m-й излучатель - n-я секция полотна АФАР".

В рамках выполнения приближения геометрической оптики [Кремер, И.Я Пространственно-временная обработка сигналов / И.Я Кремер, А.И Кремер, В.М. Петров и др., под ред. И.Я. Кремера. - М.: Радио и связь, 1984. - 224 с.], когда влиянием соседних излучателей можно пренебречь, заявляемая АФАР рассматривается как антенная решетка, элементом которой выступает секция полотна АФАР. На рисунке фиг. 6 без учета направленных свойств приемопередающего элемента 1 представлено нормированное амплитудное распределение, формируемое в картинной плоскости m-го потребителя заявляемой АФАР. Потребитель находился по углом θ_m=0° относительно нормали к полотну АФАР. Моделировалась АФАР с количеством приемопередающих элементов, равным NL=30, объединенных в секции по L=10 (сплошная линия) и L=5 (штрих-пунктирная линия) элементов. Как следует из представленных рисунков, заявляемая АФАР, в условии амплитудно-фазовых флуктуаций сигнала по раскрыву ее апертуры, формирует ДН в направлении потребителя, что подтверждает ее работоспособность.

В соответствии с [Шифрин, Я.С. Вопросы статистической теории антенн / Я.С. Шифрин, М.: Сов. радио, 1970, 384 с.] величина коэффициента направленного действия заявляемой АФАР составит:

где D₀ - коэффициент направленного действия АФАР в отсутствии ошибок в АФР по раскрыву АФАР; - дисперсия фазовых ошибок по раскрыву АФАР; , ρ - радиус корреляции фазовых ошибок по раскрыву АФАР; β - дисперсия ошибок оценки фазы юстировочных коэффициентов заявляемой АФАР; d - расстояние между приемопередающими элементами 1 заявляемой АФАР; I(cN, 0,0) - табулированная функция, при экспоненциальной статистики фазовых ошибок определяется в соответствии с выражением: .

На рисунке фиг. 7 представлена зависимость относительного снижения коэффициента направленного действия заявляемой АФАР:

определяемая, с использованием выражения (17).

При N=1 (β=0), что соответствует прототипу заявляемой АФАР, величина относительного снижения КНД, при с=0,6 составит .

Рост числа секций в n раз, при фиксированной длине антенной решетки, приводит к такому же эффекту, как и увеличении в n раз радиуса корреляции флуктуаций - снижению потерь в коэффициенте направленного действия АФАР. Так, для N=10 величина относительного снижения коэффициента направленного действия составит , что соответствует, при прочих равных условиях, увеличению уровня передаваемого сигнала потребителю по сравнению с АФАР прототипа и подтверждает заявленный технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей путем введения дополнительного арсенала технических средств, обеспечивающих условия, при которых поддерживается постоянный уровень сигнала, принимаемого потребителем в создаваемом многолучевой самофокусирующейся антенной решеткой канале связи, независимо от ее относительного пространственного размера.

Многолучевая самофокусирующаяся антенная решетка содержит N секций по L приемопередающих элементов и по L приемопередающих модулей, приемопередающие элементы, диаграммообразующий блок. Указанный блок состоит из N цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные управляемый фазовращатель, усилитель мощности и делитель мощности, приемопередающие модули, задающий генератор, делитель сигнала задающего генератора, блок управления положением диаграммы направленности, приемный блок. Также антенна содержит N цифровых вычислителей юстировочных коэффициентов, результатом работы которых является множество векторов юстировочных коэффициентов. При этом анализ указанных векторов производят при помощи цифрового блока сравнения, результатом работы которого является определение поканального фазового набега на каждой из секций полотна решетки. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Многолучевая самофокусирующаяся антенная решетка, содержащая N секций по L приемопередающих элементов и по L приемопередающих модулей, вход-выход каждого из которых соединен с входом выходом соответствующего ему приемопередающего элемента, диаграммообразующий блок, состоящий из N цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные управляемый фазовращатель, усилитель мощности и делитель мощности, группа выходов каждого из которых соединена с первыми входами приемопередающих модулей соответствующей ему секции, задающий генератор, делитель сигнала задающего генератора, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а каждый выход группы выходов соединен со входом соответствующего управляемого фазовращателя, блок управления положением диаграммы направленности, каждый выход группы выходов которого соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, а также приемный блок, группа входов которого соединена с выходами приемопередающих модулей, отличающаяся тем, что введены N×L аналого-цифровых преобразователей, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего ему приемопередающего модуля, N цифровых вычислителей котировочных коэффициентов, входы каждого из которых соединены с выходами аналого-цифровых преобразователей, входы которых соединены с выходами приемопередающих модулей соответствующей секции, цифровой блок сопоставления, входы которых соединены с выходами N цифровых вычислителей котировочных коэффициентов, а каждый из выходов соединен со вторым входом соответствующего приемопередающего модуля, третьи входы которых соединены с выходом приемного блока.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что приемопередающий модуль выполнен в виде последовательно соединенных первого согласующего усилителя, вход которого является первым входом приемопередающего модуля, первый аттенюатор, второй согласующий усилитель, первый фазовращатель, второй вход которого объединен со вторым входом первого аттенюатора и является вторым входом приемопередающего модуля, третий согласующий усилитель, предварительный усилитель мощности, оконечный усилитель мощности, переключатель, вход-выход которого является входом-выходом приемопередающего модуля, второй защитный блок, малошумящий усилитель, четвертый согласующий усилитель, второй фазовращатель, пятый согласующий усилитель, второй аттенюатор, второй вход которого объединен со вторым входом малошумящего усилителя и является третьим входом приемопередающего модуля, и шестой согласующий усилитель, выход которого является выходом приемопередающего модуля.