СКАНИРУЮЩАЯ МНОГОЧАСТОТНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ С УПРАВЛЯЕМОЙ ЧАСТОТОЙ ПОВТОРЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2017 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к радиотехнике, может быть использовано в радиолокации, а также в системах радиоэлектронного подавления и других устройствах, в которых используются последовательности широкополосных (ШП) и сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов с управляемой частотой повторения импульсов.

Известные устройства - «Антенная решетка со схемами связи» [1] и «Антенна с электронным сканированием луча» [2].

Наиболее близким устройством по технической сущности (прототипом) является многочастотная антенная решетка (МЧАР) для формирования последовательности импульсных сигналов в пространстве [3, 4], которая выбрана в качестве прототипа изобретения, схема приведена на фиг. 1, где:

1 - система формирования когерентной сетки частот;

2 - излучающие элементы;

3 - управляемые фазовращатели;

4 - система управления фазовращателями.

МЧАР формируют в пространстве ШП и СШП импульсные последовательности из отдельных спектральных компонент. Это, во-первых, снимает проблему согласования антенно-фидерных трактов для ШП и СШП сигналов (каждый тракт узкополосный), во-вторых, позволяет генерировать ШП и СШП импульсы с заданной длительностью, вплоть до видеоимпульсов, в любой части радиочастотного диапазона [5, 7]. В этом же источнике приведен пример технической реализации МЧАР.

На фиг. 2 показаны пространственно-временное распределение сигнала (а) и форма огибающей по мощности (б) для МЧАР, состоящей из излучающих элементов, с коэффициентом усиления 4 каждый, и имеющей следующие параметры: количество элементов 10×10, размер 1,5×1,5 м, полоса частот 400…3400 МГц, для дальности 50 км мощность сигнала, подводимого к каждому элементу 100 Вт. Расчеты выполнены с помощью алгоритма, используемого в программе [7].

Недостатком рассматриваемого устройства является зависимость периода Т (частоты ) формируемых импульсов от количества спектральных компонент N для заданной ширины спектра ΔF, а значит, для заданной длительности импульса τ_И. Покажем это.

Частоты спектра излучаемого многочастотного сигнала определяются как:

где i=1…N; f_min - минимальная частота сигнала; - расстояние между соседними частотами спектра, и, следовательно, частота повторения формируемых импульсов.

Длительность импульса τ_и обратно пропорциональна полосе частот сигнала ΔF и частоте повторения импульсов :

Такая зависимость недопустима в ряде случаев, например, при применении МЧАР в РЛС. Так для РЛС с длительностью импульса τ_и=1 нс при дальности R=150 км для однозначного определения дальности цели период импульсов должен быть больше чем 2R/c (с - скорость света), и, следовательно, количество частот в спектре сигнала (количество каналов ФАР) должно быть не менее 10⁶, что физически нереализуемо.

Техническим результатом изобретения является получение возможности изменения частоты повторения СПЯТ импульсов, формируемых в пространстве сканирующей многочастотной антенной решеткой с заданной шириной частотного спектра, без изменения их длительности.

Технический результат достигается тем, что в известное устройство, состоящее из системы формирования когерентной сетки частот (1), излучающих элементов (2), управляемых фазовращателей (3) и системы управления фазовращателями (4), дополнительно введены импульсные модуляторы (5), импульсный генератор (6), управляемые линии задержки (7), система управления задержкой импульса (8), опорный генератор (9), синхронизатор систем управления линиями задержки и управляемыми фазовращателями (10) (фиг. 3).

Импульсные модуляторы формируют на каждой рабочей частоте _i прямоугольные импульсы, длительность которых τ_м. За время τ_м МЧАР должна формировать в пространстве только один импульс с длительностью. Период следования модулирующих импульсов Т_М кратен Т (Т_М=mT, где m - целое положительное число), что позволяет дискретно менять частоту импульсов, формируемых МЧАР от первоначальной до моноимпульса.

Такая схема построения устройства целесообразна в первую очередь при формировании СШП импульсов, когда получение импульсов с заданной длительностью (полосой) напрямую с помощью импульсных модуляторов невозможно, в частности, из-за ограниченных временных параметров эти модуляторов. При этом в предлагаемой схеме требования к модулятору значительно мягче, поскольку максимальная длительность формируемого им импульса может достигать периода МЧ сигнала

Для реализации электронного сканирования диаграммой направленности (ДН) в схему введены управляемые линии задержки (7) и система управления задержкой (8), синхронизированная с системой управления фазовращателями (4). При этом максимальная величина задержки определяется размером апертуры D и углом максимального отклонением ДН от нормали к решетке Θ_СК следующим соотношением:

На фиг. 1 приведена структурная схема прототипа изобретения - многочастотная антенная решетки для формирования последовательности импульсных сигналов в пространстве. На фиг. 2 (а) показано рассчитанное пространственно-временное распределение сигнала (зависимость плотности потока мощности (НИМ) от времени на заданной дальности), формируемого многочастотной антенной решеткой, параметры которой приведены в таблице.

На фиг. 3 показана структурная схема изобретения. На фиг. 4 (а) приведена нормированная огибающая сигнала по мощности для известного устройства (нормировка выполнена по максимуму огибающей). На фиг. 4 (б) показаны импульсы, поступающие на импульсный модулятор и огибающая сигнала, формируемая предлагаемым устройством при Т_М=2Т. На фиг. 4 (в) показаны импульсы, поступающие на импульсный модулятор и огибающая сигнала, формируемая предлагаемым устройством при Т_М=3Т.

Устройство работает следующим образом.

Непрерывные сигналы с частотами _i с устройства формирования когерентной сетки частот (1) поступают на импульсные модуляторы (5), на управляющие входы которых через управляемые линии задержки (7) с импульсного генератора (6) поступает последовательность прямоугольных видеоимпульсов. Для обеспечения взаимной когерентности СШП импульсов, формируемых МЧАР в пространстве, используются сигналы опорного генератора (6). Длительность видеоимпульса τ_м снизу ограничена длительностью импульса τ_и, формируемого МЧАР, а сверху в соответствии с выражением (1) – периодом повторения импульсов формируемых МЧАР. На фиг. 4 (а) показана нормированная по максимальному значению огибающая сигнала по мощности, формируемого устройством в отсутствии импульсной модуляции. На фиг. 4 (б, в) приведены последовательности импульсов, поступающих на импульсные модуляторы, и формируемые МЧАР сигналы при модуляции этими последовательностями для различных периодов повторения видеоимпульсов для Т_М=2Т и Т_М=3Т, соответственно.

Фазовращатели (3) с системой управления фазовращателями (4) и линии задержки (7) с системой управления линиями задержки (8) позволяют осуществлять электронное сканирование ДН устройства. Согласованная работа фазовращателей и линий задержки обеспечивается синхронизатором (10).

ЛИТЕРАТУРА

1. Антенна с электронным сканированием луча, заявка №1558794, Великобритания, публикация 1980 г., 9 января.

2. Сканирующая антенна, заявка №2153076, Франция, публикация 1973 г., 1 июня.

3. Воробьев Н.В., Грязнов В.А. Многочастотная антенная решетка для формирования последовательности импульсных сигналов в пространстве: патент №2267838. Приоритет от 01.27.2004.

4. Воробьев Н.В., Грязнов В.А. Многочастотные антенные решетки для формирования импульсных сигналов // Радиотехника (Журнал в журнале). - 1997. - Выпуск 26, №11. С. 107-108 (5).

5. Воробьев Н.В., Воробьев И.Н., Грязнов В.А., Ягольников C.B. Формирование сверхширокополосных импульсных сигналов многочастотными антенными решетками со случайным распределением частот сигналов по элементам апертуры // IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» - ИРЭ РАН, 29 ноября - 3 декабря 2010.

6. Воробьев Н.В., Воробьев И.Н., Грязнов В.А., Неплюев О.Н. Пространственное формирование импульсных сигналов многочастотными антенными решетками со случайным распределением частот сигналов по элементам апертуры // Конфликтно-устойчивые радиоэлектронные системы. - 2011. Выпуск 159, №18. С. 21-26.

7. Аджемов С.С., Воробьев Н.В., Грязнов В.А. Моделирование многочастотных антенных решеток: Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. №2006613973, зарегистрировано 21 ноября 2006 г.

Изобретение относится к радиотехнике, может быть использовано в радиолокации, а также в системах радиоэлектронного подавления. Устройство содержит систему формирования когерентной сетки частот (1), излучающие элементы (2), управляемые фазовращатели (3), систему управления фазовращателями (4), импульсные модуляторы (5), импульсный генератор (6), управляемые линии задержки (7), систему управления задержкой импульса (8), опорный генератор (9) и синхронизатор систем управления линиями задержки и управляемыми фазовращателями (10). Технический результат изобретения заключается в устранении зависимости периода формируемых импульсов от количества спектральных компонент сигнала для заданной ширины спектра. 4 ил.

Сканирующая многочастотная антенная решетка для формирования в пространстве последовательности сверхширокополосных импульсных сигналов с управляемой частотой повторения импульсов, состоящая из системы формирования когерентной сетки частот, излучающих элементов, управляемых фазовращателей, системы управления фазовращателями, отличающаяся тем, что, во-первых, дополнительно введены импульсные модуляторы, управляемые импульсным генератором, создающим видеоимпульсы с длительностью, не превышающей период следования сверхширокополосных импульсов, формируемых многочастотной антенной решеткой в пространстве без импульсной модуляции, и периодом повторения, кратным этому периоду, во-вторых, введены линии задержки с системой управления линиями задержки, совместная работа системы управления фазовращателями и системы управления линиями задержки осуществляется с помощью синхронизатора, в-третьих, дополнительно введен опорный генератор, причем высокочастотные входы импульсных модуляторов соединены с высокочастотными выходами системы формирования когерентной сетки частот, высокочастотные выходы импульсных модуляторов соединены с высокочастотными входами фазовращателей, высокочастотные выходы фазовращателей соединены со входами излучающих элементов, выход импульсного генератора соединен с видеоимпульсными входами линий задержки, видеоимпульсные выходы линий задержки соединены с видеоимпульсными входами фазовращателей, выход системы управления фазовращателями соединен с управляющими входами фазовращателей, выход системы управления линиями задержки соединен с управляющими входами линий задержки, первый выход синхронизатора соединен с синхронизирующим входом системы управления фазовращателями, второй выход синхронизатора соединен с синхронизирующим входом системы управления линиями задержки, выход опорного генератора соединен с опорными входами системы формирования когерентной сетки частот и импульсного генератора.