ФАЗОВЫЙ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОВАЛОВ В ДИАГРАММЕ НАПРАВЛЕННОСТИ ПЛОСКОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 2016 года по МПК H01Q3/26 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для решения задачи формирования провалов в диаграммах направленности (ДН) плоских фазированных антенных решеток (ФАР) путем изменения лишь фаз возбуждений ее элементов.

Известен способ [El-Azhary, M.S.Afifi, and P.S.Excell, A simple algorithm for sidelobe cancellation in a partially adaptive linear array, / IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. Ap-36, No.10, October 1988, pp.1484-1486], в котором используются крайние элементы решетки для формирования протяженной области подавления боковых лепестков ДН линейной ФАР. Суть этого способа заключается в том, что сигналы, проходящие через крайние элементы, получают фазовые сдвиги, равные по величине, но противоположные по знаку. Максимум ДН, образуемой крайними элементами, смещается так, чтобы он совпал с направлением максимума подавляемого бокового лепестка, угловой диапазон которого охватывает направление прихода сигнала помехи. При этом амплитудная составляющая дополнительной ДН умножается на константу, чтобы дополнительная ДН имела одинаковую амплитуду с подавляемым боковым лепестком ДН всей решетки. Фазовая составляющая дополнительной ДН в области подавляемого бокового лепестка должна отличаться на 180° от фазовой составляющей подавляемого бокового лепестка ДН всей решетки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является «Способ формирования нуля диаграммы направленности фазированной антенной решетки» [RU 2123743 C1, опубл. 20.12.1998 г.], основанный на оценке уровня ненормированной исходной диаграммы направленности N-элементной ФАР в направлении помехи f(θ_n), выделении двух адаптивных M-элементных подрешеток, расположенных на краях исходной, с учетом условия 2M≥f(θ_n), и введении фазовых поправок в элементы адаптивных подрешеток, причем фазовые поправки для m-ой от края пары излучателей (m=1,2,…M) выбираются в соответствии с соотношением

где:

λ, x₀ - длина волны и шаг решетки;

θ - угол, отсчитываемый от нормали к раскрыву;

θ₀, θ_п - направление главного максимума и помехи соответственно. Знак минус в соотношении соответствует элементам левой адаптивной подрешетки, а знак плюс - правой.

Недостатком обоих известных способов является то, что с их помощью нельзя сформировать несколько провалов.

Техническим результатом предлагаемого способа является формирование провалов в ДН плоской ФАР в нескольких заданных направлениях, имеющих угловые координаты в сферической системе координат (θ_{напр i}, φ_{напр i}), причем фазы сигналов, проходящих через крайние элементы эквивалентного линейного раскрыва этой ФАР, изменяют на постоянную величину, что позволяет упростить и ускорить процесс формирования нескольких провалов.

Сущность предлагаемого фазового способа формирования провалов в ДН плоской ФАР состоит в оценке уровня исходной диаграммы направленности N-элементной ФАР, выделении в раскрыве двух M-элементных подрешеток и введении фазовых поправок, со знаком минус для элементов одной подрешетки и со знаком плюс для элементов другой подрешетки.

Новым в заявляемом изобретении является то, что оценку уровня исходной диаграммы направленности N-элементной ФАР осуществляют в К заданных направлениях, которые задают двумя угловыми координатами θ_{напр I} и φ_{напр i}, выбирают К эквивалентных линейных раскрывов, углы которых равны значениям координат К направлений φ_{напр I}, вычисляют возбуждение этих раскрывов, после выделения в каждом эквивалентном линейном раскрыве двух M-элементных подрешеток, расположенных на его краях, величины их фазовых поправок выбирают равными по абсолютному значению из условия заданных глубины, ширины и координаты θ_{напр i} провала, фазы элементов ФАР, образующих M-элементные подрешетки К эквивалентных линейных раскрывов, изменяют на величину фазовых поправок этих подрешеток, при условии что M-элементные подрешетки К эквивалентных линейных раскрывов формируются несовпадающими элементами ФАР, где θ_{напр i} и φ_{напр i} - заданные направления в сферической системе координат, a θ_{напр i}, отсчитывается от нормали к плоскости раскрыва ФАР; i - порядковый номер заданного направления, i=1…К; К - количество заданных направлений.

На Фиг.1 показан пример плоской ФАР с вариантами формирования эквивалентных линейных раскрывов при К=3, где К - количество заданных направлений, равное количеству эквивалентных линейных раскрывов; i - порядковый номер заданного направления и соответствующего эквивалентного линейного раскрыва, i=1…К; φ_{напр 1, 2, 3} - углы эквивалентных линейных раскрывов, М - число элементов в подрешетках эквивалентных линейных раскрывов.

На Фиг.2 приведены:

а) - ФАР с эллиптической формой раскрыва, на которой расположены N=1458 элементов с равномерным фазовым распределением;

б) - пространственная ДН ФАР. Здесь и далее пространственные ДН ФАР приведены в координатах направляющих косинусов u, v, где u=sin(θ)cos(φ), v=sin(θ)sin(φ), прямыми линиями показаны сечения;

в) - ДН ФАР в азимутальном сечении (φ=0°). Здесь и далее, если не указано иное, при отображении ДН в каком-либо сечении по оси абсцисс отложена переменная θ в градусах;

г) - ДН ФАР в угломестном сечении (φ=90°).

На Фиг.3 приведен пример формирования двух провалов в ортогональных сечениях ДН ФАР, где

а) - раскрыв ФАР с фазовым распределением, измененным в соответствии с двумя эквивалентными линейными раскрывами, углы которых равны φ_{напр 1}=0° и φ_{напр 2}=90°, пронумерованные области показывают элементы с измененными фазами для формирования провалов с соответствующими номерами;

б) - пространственная ДН, координаты центров провалов: θ_{напр 1}≈6°, φ_{напр 1}=0° (u_{напр 1}=0.105, v_{напр 1}=0), θ_{напр 2}≈16°, φ_{напр 2}=90° (u_{напр 2}=0, v_{напр 2}=0.276), здесь и далее: центры окружностей указывают на центры провалов;

в) - ДН в сечении, угол которого равен значению координаты φ_{напр 1}=0° для ФАР с измененным фазовым распределением (жирная линия), здесь и далее: ДН в данном сечении для ФАР с равномерным фазовым распределением показана тонкой линией, стрелка указывает направление центра провала в данном сечении;

г) - ДН в сечении, угол которого равен значению координаты φ_{напр 2}=90°.

На Фиг.4 приведен пример формирования двух провалов в неортогональных сечениях ДН ФАР, где

а) - раскрыв ФАР с фазовым распределением, измененным в соответствии с двумя эквивалентными линейными раскрывами, углы которых равны φ_{напр 1}=0° и φ_{напр 2}=60°;

б) - пространственная ДН, координаты центров провалов: θ_{напр 1}≈6°, φ_{напр 1}=0° (u_{напр 1}=0.105, v_{напр 1}=0), θ_{напр 2}≈15°, φ_{напр 2}=60° (u_{напр 2}=0.129, v_{напр 2}=0.226);

в) - ДН в сечении, угол которого равен значению координаты φ_{напр 1}=0°;

г) - ДН в сечении, угол которого равен значению координаты φ_{напр 2}=60°

На Фиг.5 приведен пример формирования трех провалов в ДН ФАР, где

а) - раскрыв ФАР с фазовым распределением, измененным в соответствии с тремя эквивалентными линейными раскрывами, углы которых равны φ_{напр 1}=0°, φ_{напр 2}=45°, φ_{напр 3}=90°, пронумерованные области показывают элементы с измененными фазами для формирования провалов с соответствующими номерами;

б) - пространственная ДН, координаты центров провалов: θ_{напр 1}≈14°, φ_{напр 1}=0° (u_{напр 1}=0.242, v_{напр 1}=0), θ_{напр 2}≈25°, φ_{напр 2}=45° (u_{напр 2}=0.299, v_{напр 2}=0.299); φ_{напр 3}=90° (u_{напр 3}=0, v_{напр 3}=0,309);

в) - ДН в сечении, угол которого равен значению координаты φ_{напр 1}=0°;

г) - ДН в сечении, угол которого равен значению координаты φ_{напр 2}=45°;

д) - ДН в сечении, угол которого равен значению координаты φ_{напр 2}=90°.

На Фиг.6 приведен пример формирования двух провалов в ортогональных сечениях ДН ФАР при сканировании, где

а) - пространственная ДН, координаты центров провалов: θ_{напр 1}≈6°, φ_{напр 1}=0° (u_{напр 1}=0.105, v_{напр 1}=0), θ_{напр 2}≈15°, φ_{напр 2}=90° (u_{напр 2}=0, v_{напр 2}=0.259);

б) - та же пространственная ДН, но после сканирования на угол θ₁=30°, φ ₁=0° (u ₁=0.5, v ₁=0);

в) - ДН в сечении v=0, по оси абсцисс отложена переменная и;

г) - ДН в сечении u=0.5, по оси абсцисс отложена переменная v.

Характерной чертой данного метода является неизменность возбуждения основной части элементов ФАР, поскольку возбуждение меняется лишь у тех элементов ФАР, которые образуют крайние элементы эквивалентных линейных раскрывов. При этом угловое положение центров провалов относительно луча ДН в системе координат направляющих косинусов (и, v) и величина подавления в центре каждого провала сохраняются при сканировании.

На Фиг.2а показана ФАР, имеющая раскрыв эллиптической формы, на котором расположены N=1458 элементов. В раскрыве ФАР создано спадающее к краям амплитудное распределение с КИП≈0.9. На Фиг.2б, в, г приведены пространственная ДН ФАР и ДН в главных - азимутальном и угломестном - сечениях. Исходный уровень максимальных боковых лепестков ДН при синфазном распределении составляет ≈-28дБ.

Используя предложенный способ можно одновременно формировать несколько (К) провалов в сечениях ДН, углы которых равны значениям координат φ_{напр i}. Для этого вычисляют возбуждение К соответствующих эквивалентных линейных раскрывов (Фиг.1) и в ДН каждого из них формируют провал в направлении θ_{напр i} - фазовые поправки, вычисленные для формирования провалов, вносят на элементы ФАР, образующие данный эквивалентный линейный раскрыв. Это иллюстрируется примером формирования 2-х провалов (К=2) в ортогональных сечениях (Фиг.3а-г). На Фиг.3а видно, что подрешетки эквивалентных линейных раскрывов образуют несовпадающие элементы раскрыва ФАР. В эквивалентном линейном, обеспечивающем формирование провала в направлении f=i (θ_{напр 1}≈6°), число элементов в каждой из двух подрешеток М=9, в эквивалентном линейном раскрыве (i=2, θ_{напр 2}≈16°)-M=3. В данном примере снижение бокового излучения в центре каждого провала составило более 16дБ. Величина подъема бокового излучения с противоположных относительно луча ДН и формируемого провала сторон составила ≈5-7 дБ. Снижение уровня луча ФАР составляет приблизительно 0.12 дБ.

Провалы могут формироваться не только в ортогональных, но и в других сечениях при условии, что подрешетки эквивалентных линейных раскрывов формируются несовпадающими элементами ФАР. Пример формирования двух провалов (К=2) в азимутальном сечении (φ_{напр 1}=0°) и сечении с углом φ_{напр 2}=60° приведен на Фиг.4а-г. Случай формирования провалов в трех сечениях (К=3) представлен на Фиг.5а-г. Постоянство угловых положений центров провалов относительно луча ДН и величины подавления в центре каждого провала при сканировании подтверждается Фиг.6а-г.

Предлагаемый способ обеспечивает формирование нескольких провалов в ДН плоских ФАР в нескольких заданных направлениях, имеющих угловые координаты (θ_{напр i}, φ_{напр i}) в сферической системе координат. Кроме того, фазы сигналов, проходящих через крайние элементы эквивалентного линейного раскрыва этой ФАР, изменяют на постоянную величину, что позволяет упростить и ускорить процесс формирования провалов.

Изобретение относится к антенной технике. Техническим результатом является формирование провалов в диаграммах направленности (ДН) плоских фазированных антенных решеток (ФАР) в нескольких заданных направлениях, имеющих угловые координаты в сферической системе кординат. Способ формирования провалов в ДН плоской ФАР состоит в оценке уровня исходной диаграммы направленности N-элементной ФАР, выделении в раскрыве двух M-элементных подрешеток и введении фазовых поправок, со знаком минус для элементов одной подрешетки и со знаком плюс для элементов другой подрешетки. Для формирования провалов в ДН плоской ФАР в нескольких заданных направлениях оценку уровня исходной диаграммы направленности N-элементной ФАР осуществляют в К заданных направлениях, которые задают двумя угловыми координатами θ_{напр i} и φ_{напр I}, выбирают К эквивалентных линейных раскрывов, углы которых равны значениям координат К направлений φ_{напр i}, вычисляют возбуждение этих раскрывов, после выделения в каждом эквивалентном линейном раскрыве двух M-элементных подрешеток, расположенных на его краях, величины их фазовых поправок выбирают равными по абсолютному значению из условия заданных глубины, ширины и координаты θ_{напр i} провала. Фазовые поправки, вычисленные для формирования провалов, вносят на элементы ФАР, образующие данный эквивалентный линейный раскрыв, при условии что M-элементные подрешетки К эквивалентных линейных раскрывов формируются несовпадающими элементами ФАР, где θ_{напр i} и φ_{напр i} - заданные направления в сферической системе координат, a θ_{напр i} отсчитывается от нормали к плоскости раскрыва ФАР; i - порядковый номер заданного направления, i=1…К; К - количество заданных направлений. 22 ил.

Фазовый способ формирования провалов в диаграмме направленности плоской фазированной антенной решетки (ФАР), основанный на оценке уровня исходной диаграммы направленности N-элементной ФАР, выделении в раскрыве двух M-элементных подрешеток и введении фазовых поправок, со знаком минус для элементов одной подрешетки и со знаком плюс для элементов другой подрешетки, отличающийся тем, что оценку уровня исходной диаграммы направленности N-элементной ФАР осуществляют в К заданных направлениях, которые задают двумя угловыми координатами θ_{напр i} и φ_{напр i}, выбирают К эквивалентных линейных раскрывов, углы которых равны значениям координат К направлений φ_{напр i}, вычисляют возбуждение этих раскрывов, после выделения в каждом эквивалентном линейном раскрыве двух M-элементных подрешеток, расположенных на его краях, величины их фазовых поправок выбирают равными по абсолютному значению из условия заданных глубины, ширины и координаты θ_{напр i} провала, фазовые поправки, вычисленные для формирования провалов, вносят на элементы ФАР, образующие данный эквивалентный линейный раскрыв, при условии что M-элементные подрешетки К эквивалентных линейных раскрывов формируются несовпадающими элементами ФАР, где
θ_{напр i} и φ_{напр i} - заданные направления в сферической системе координат, а θ_{напр i} отсчитывается от нормали к плоскости раскрыва ФАР;
i - порядковый номер заданного направления, i=1…К;
К - количество заданных направлений.