ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРАНСФУНКЦИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ АНТЕННЫХ ЗАДАЧ Российский патент 2016 года по МПК H01Q21/06 

Область техники

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для повышения разрешающей способности и точности определения координат радиолокационных и радионавигационных систем.

Уровень техники

Известно, что в антеннах некоторых радиолокационных систем для пеленгации целей используется моноимпульсный метод, при котором пеленгационная характеристика антенны получается за счет деления комплексной разностной диаграммы на комплексную суммарную диаграмму направленности (ДН) [1], [2].

Формирование суммарной и разностной ДН осуществляется при квазиоптическом возбуждении с помощью четырехканального облучателя. Диаграммообразующая схема может входить в состав облучателя, и тогда его выходы соответствуют суммарному, разностным азимутальному и угломестному каналам и каналу разности частных сумм.

Возможна конструкция облучателя, в которой каждый из 4-х рупоров подключается непосредственно к своему приемнику, и превращение 4-х парциальных диаграмм в суммарно-разностные производится после оцифровки поступающих сигналов.

Для антенн в виде модульных фазированных антенных решеток (ФАР) формирование суммарно-разностных диаграмм может производиться как с помощью высокочастотных диаграммообразующих схем, так и после оцифровки сигналов при подключении каждого модуля к своему приемнику.

Недостаток такой обработки сигналов при использовании известных на сегодня параметров антенн состоит в том, что разрешающая способность и точность определения координат с помощью таких антенн определятся практически ТОЛЬКО их размерами (в длинах волн).

Сущность изобретения

Задачей изобретения является формирование функций, позволяющих резко повысить разрешающую способность и точностные характеристики существующих антенн. Эти функции являются ранее не известными параметрами многоканальных антенн и поэтому не используемыми.

Предлагаемое изобретение базируется на двух принципах, используемых в существующих системах, а именно требуемые функции создаются после оцифровки сигналов, поступающих от каждого парциального канала, подключенного к своему приемнику, формирование требуемых функций производится с использованием деления комплексной ДН, создаваемой всей антенной или ее частью, к комплексной ДН, создаваемой другими частями антенны или другим сочетанием частей, т.е. полученный результат не зависит от величины и флуктуаций сигнала, принятого антенной.

Нами предлагается кроме известных параметров антенны (суммарная ДН, разностная ДН, пеленгационная характеристика антенны) ввести новый параметр ТРАНСФУНКЦИЯ (ТФ) антенны.

ТФ антенны называется сумма действительной части результата деления комплексной ДН, создаваемой всей антенной или ее частью или всей антенной и ее частью, к комплексной ДН, создаваемой другими частями антенны или другим сочетанием частей антенны и всей антенны плюс абсолютное значение этой действительной части.

Таким образом трансфункция записывается следующим образом

S_i,j(θ,φ)=real(D_i(θ,φ)/D_j(θ,φ))+abs(real(D_i(θ,φ)/D_j(θ,φ))),

где S_i,j(θ,φ) - трансфункции,

i≠j,

D_i(θ,φ) - комплексная ДН либо одной, либо нескольких частей раскрыва антенны, либо всей антенны, либо нескольких частей раскрыва и всей антенны,

D_j(θ,φ) - комплексная ДН другого сочетания частей и всего полотна антенны,

θ - угол места, φ - азимутальный угол.

Различные трансфункции имеют нулевые значения в разных областях пространства, поэтому используя произведение нескольких трансфункций, можно создать нулевые области, составляющие более 90% полупространства излучения антенны, т.е. свести к минимуму области приема сигнала, лежащие вдали от направления θ=0°, φ=0°.

Рассмотрим в качестве примера плоскую ФАР с квадратным раскрывом, состоящую из 1600 элементов (40×40) с расстоянием между элементами 0.8 λ, где λ - длина волны. ФАР разбита на 4 идентичных модуля, по 400 элементов каждый (фигура 1). Объемная диаграмма направленности такой антенны представлена на фигуре 2, а ее сечение горизонтальной плоскостью - на фигуре 3. Ширина ДН по половинному значению мощности равна примерно 96′.

Выберем для решения поставленной задачи следующие четыре трансфункции

s₁₂(θ,φ)=real(D(θ,φ)/(D₁(θ,φ)+D₂(θ,φ)))

+abs(real(D(θ,φ)/(D₁(θ,φ)+D₂(θ,φ)))),

s₁₃(θ,φ)=real(D(θ,φ)/(D₁(θ,φ)+D₃(θ,φ)))

+abs(real(D(θ,φ)/(D₁(θ,φ)+D₃(θ,φ)))),

s₁₄(θ,φ)=real(D(θ,φ)/(D₁(θ,φ)+D₄(θ,φ)))

+abs(real(D(θ,φ)/(D₁(θ,φ)+D₄(θ,φ)))),

s₃₄(θ,φ)=real(D(θ,φ)/(D₃(θ,φ)+D₄(θ,φ)))

+abs(real(D(θ,φ)/(D₃(θ,φ)+D₄(θ,φ)))),

где D₁(θ,φ), D₂(θ,φ), D₃(θ,φ), D₄(θ,φ) -

комплексные ДН модулей 1, 2, 3, 4 соответственно,

D(θ,φ)=D₁(θ,φ)+D₂(θ,φ)+D₃(θ,φ)+D₄(θ,φ) -

диаграмма направленности всей ФАР.

Для решения поставленной задачи будем пользоваться следующей функцией

ss(θ,φ)=s₁₂(θ,φ)×s₁₃(θ,φ)×s₁₄(θ,φ)×s₃₄(θ,φ)/32.

Расчеты показывают, что при использовании любой ФАР с равномерным амплитудным и линейным фазовым распределением поля в раскрыве, состоящей из 4-х одинаковых модулей, при θ=0°, φ=0° выбранные нами трансфункции принимают значения 4. Накладывая ограничения на допустимые значения ТФ (т.е. поставив условие - если каждая из выбранных нами трансфункций принимает значение больше некоторой величины или меньше некоторой другой величины, считать ТФ равной нулю), можно выбирать угловые зоны приема сигналов, делая их как угодно малыми. На фигурах 4-7 приведены функции ss(θ,φ) (для ФАР, изображенной на фигуре 1) в случае, когда допускается существование каждой из входящих ТФ в пределах от 3.9 до 4.1. При этом, как видно из фигуры 7, центральная ТФ (вблизи φ=0°) существует в зоне 20′-24′, т.е. зона примерно в 4 раза уже, чем ширина ДН антенны по половинному значению мощности.

Как следует из фигур 4-6, в этом случае кроме центральной ТФ, существуют трансфункции во всем полупространстве, заполняя при этом всего 0.5% пространственных углов. Процент засвеченных углов пространства зависит от коридора, в котором допускается существование ТФ. Следует учитывать, что ТФ существует, только если оцифрованные сигналы отличны от нуля.

Реальное амплитудно-фазовое распределение (АФР) поля в раскрывах антенн является и неравномерным, и нелинейным. При реальном АФР характер ТФ меняется. При этом оказывается, что фазовые и амплитудные ошибки АФР мало влияют на значение ТФ в области, близкой к θ=0°, φ=0°, и разрушительно действуют на все остальные ТФ.

При среднеквадратической ошибке (СКО) амплитуды, равной 0.1, а фазы -10°, при некоторых реализациях существует ТФ только в области, близкой к θ=0°, φ=0° (центральные ТФ).

Результаты расчета функции ss(θ,φ) при таких ошибках (одна из таких реализаций) приведены на фигурах 8-10. Из сравнения сечений центральных ТФ (фигуры 7 и 10) следует, что они практически одинаковы. Все ТФ, существовавшие в других зонах пространства, исчезли.

При других реализациях иногда (практически в разных местах) появляются одиночные всплески ТФ, которые легко отфильтровать двукратной или трехкратной установкой луча в одно и то же положение.

Для наглядности на фигурах 19, 20 и 21 приведены ТФ ss1(θ,φ), где

ss₁(θ,φ)=real(D(θ,φ)/D₁(θ,φ))+abs(real(D(θ,φ)/D₁(θ,φ))).

Максимальная амплитуда ТФ ss1(θ,φ) равна 8.

На фигуре 19 приведена ТФ без ограничений по амплитуде (0-8).

На фигуре 20 приведена ТФ, в которой амплитуда ограничена пределами 7.7-8.

На фигуре 21 приведена ТФ, в которой амплитуда ограничена пределами 7.95-8.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Для проверки реализуемости предлагаемого изобретения были сняты диаграммы направленности ФАР, состоящей из 4-х одинаковых модулей по 1500 элементов в каждом.

Динамические ДН (электронный поворот луча) снимались в угломестной плоскости. Антипод передающей позиции находился под углом -3° к горизонту. Одна и та же диаграмма снималась трижды.

ДН, полученная при одной из реализаций, дана на фигурах 11 и 12. Ширина этой ДН по половинному значению мощности равна примерно 46′.

Три реализации функции ss(θ,φ) для ТФ, значения которых лежат в пределах от 3.9 до 4.1, приведены на фигурах 13-18. Из рассмотрения фигур следует, что данные, полученные в результате расчетов, экспериментом подтверждаются, а именно - центральная трансфункция практически сохраняется при всех трех реализациях, область ее существования 10′-12′, т.е. примерно в 4 раза меньше ширины ДН по половинному значению мощности, периферийных ТФ - считанные единицы, и появляются они в разных местах.

Перечень фигур

Фигуры с 1 по 10 и с 19-21 относятся к расчетной части заявки.

Фигуры с 11 по 18 относятся к экспериментальной части заявки.

Фигура 1-4 модуля по 400 элементов,

Фигура 2 - Исходная диаграмма направленности ФАР,

Фигура 3 - Центральное сечение исходной диаграммы направленности ФАР,

Фигура 4 - Произведение 4-х трансфункций, 76 точек из 14641 (0.5%), объемное изображение,

Фигура 5 - Произведение 4-х трансфункций, 3.9<ТФ>4.1 (каждая ТФ), плоское изображение,

Фигура 6 - Произведение 4-х трансфункций, 3.9<ТФ>4.1 (каждая ТФ), центральное сечение,

Фигура 7 - Произведение 4-х трансфункций, 3.9<ТФ>4.1 (каждая ТФ), сечение центральной ТФ,

Фигура 8 - Произведение 4-х трансфункций, 3.9<ТФ>4.1 (каждая ТФ),

СКО фазы = 10°, СКО ампл = 0.1, плоское изображение,

Фигура 9 - Произведение 4-х трансфункций, 3.9<ТФ>4.1 (каждая ТФ),

СКО фазы = 10°, СКО ампл = 0.1, центральное сечение,

Фигура 10 - Произведение 4-х трансфункций, 3.9<ТФ>4.1 (каждая ТФ),

СКО фазы = 10°, СКО ампл = 0.1, сечение центральной ТФ,

Фигура 11 - Экспериментальная диаграмма направленности ФАР из 6000

элементов,

Фигура 12 - Экспериментальная диаграмма направленности ФАР из 6000

элементов, центральный участок,

Фигура 13 - Произведение 4-х трансфункций, 3.9<ТФ>4.1 (каждая ТФ),

ФАР из 6000 элементов, первая реализация,

Фигура 14 - Произведение 4-х трансфункций, 3.9<ТФ>4.1 (каждая ТФ),

ФАР из 6000 элементов, вторая реализация,

Фигура 15 - Произведение 4-х трансфункций, 3.9<ТФ>4.1 (каждая ТФ),

ФАР из 6000 элементов, третья реализация,

Фигура 16 - Произведение 4-х трансфункций, 3.9<ТФ>4.1 (каждая ТФ),

ФАР из 6000 элементов, сечение центральной ТФ, первая реализация,

Фигура 17 - Произведение 4-х трансфункций, 3.9<ТФ>4.1 (каждая ТФ),

ФАР из 6000 элементов, сечение центральной ТФ, вторая реализация,

Фигура 18 - Произведение 4-х трансфункций, 3.9<ТФ>4.1 (каждая ТФ),

ФАР из 6000 элементов, сечение центральной ТФ, третья реализация.

Фигура 19 - Трансфункция ss1, 0<ТФ>8,

Фигура 20 - Трансфункция ss1, 7.7<ТФ>8,

Фигура 21 - Трансфункция ss1, 7.95<ТФ>8.

Изобретение относится к антенной технике преимущественно в СВЧ-диапазоне волн. Технический результат - повышение разрешающей способности антенны и увеличение точности пеленгации целей. Для этого в способе определения параметров антенны многоканальной радиолокационной станции сигналы, поступающие по каждому из каналов, оцифровывают, находят параметр антенны, определяемый как сумма действительной (мнимой) части отношения двух диаграмм направленности, полученных от различных участков антенны, и абсолютного значения этой части, называют его трансфункцией и с помощью трансфункций путем их перемножения ограничивают до требуемой величины область исследуемого пространства. С помощью трансфункций можно, в частности, получить от антенн с данным раскрывом эквивалент диаграммы направленности, ширина которого в 4 раза уже, чем ширина классической диаграммы направленности по половинному значению мощности при равномерном синфазном распределении поля в раскрыве. 21 ил.

Способ определения параметров антенны многоканальной радиолокационной станции (РЛС), характеризующийся тем, что в РЛС сигналы, поступающие по каждому из каналов, оцифровывают и проводят деление диаграмм направленности одной части антенны на диаграмму направленности другой ее части, отличающийся тем, что для повышения разрешающей способности антенны и увеличения точности пеленгации целей учитывают трансфункцию антенны, определяемую как сумму действительной (мнимой) части отношения двух диаграмм направленности, полученных от различных участков антенны, и абсолютного значения этой действительной (мнимой) части отношения двух диаграмм направленности, затем, при необходимости, аналогично получают другие трансфункции антенны для других двух ДН, получаемых от других различных участков антенны, а далее с помощью этих трансфункций ограничивают до требуемой величины область рассматриваемого пространства, причем, если S_i,j(θ,φ), IS_i,j(θ,φ) - трансфункции, то:
S_i,j(θ,φ)=real(D_i(θ,φ)/D_j(θ,φ))+abs(real(D_i(θ,φ)/D_j(θ,φ))),
IS_i,j(θ,φ)=imag(D_i(θ,φ)/D_j(θ,φ))+abs(imag(D_i(θ,φ)/D_j(θ,φ))),
где i≠j,
D_i(θ,φ) - комплексная ДН либо одной, либо нескольких частей раскрыва антенны,
D_j(θ,φ) - комплексная ДН другого сочетания частей полотна антенны,
θ - угол места, φ - азимутальный угол.