ПРИЕМНАЯ МУЛЬТИПЛИКАТИВНАЯ ФАР Российский патент 2019 года по МПК H01Q21/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение фазированная антенная решетка (ФАР) относится к антенной технике и может быть использовано в радиолокации и системах связи.

Уровень техники

Известные устройства - корреляционная решетка Дрейна и антенны с многократными операциями коррелирования [1].

В качестве прототипа выбрана антенна, предназначенная, для достижения максимальной разрешающей способности при малом числе элементов [1,2]. Прототип представляет собой две взаимно перпендикулярные поперечно излучающие линейные антенные решетки с равномерным распределением элементов. Количество элементов одной решетки - N, второй решетки - М. Сигналы, получаемые при приеме каждой линейной антенной, перемножаются (антенны с перемножением сигналов так же называют мультипликативными антеннами [3]). В результате, если диаграммы направленности (ДН) обеих решеток F₁(Θ, ϕ) и F₂(Θ, ϕ), где Θ - меридиональный угол (угол места), ϕ - азимутальный угол, то после перемножения сигнал на выходе пропорционален F₁(Θ, ϕ)×F₂(Θ, ϕ), что соответствует сигналу от плоской двумерной решетки, состоящей из N × М элементов, длины сторон которой, равны длинам линейных равномерных взаимно перпендикулярных решеток.

Недостатками рассматриваемого устройства являются:

- малый по сравнению с плоской двумерной решеткой коэффициент усиления, так как коэффициент направленного действия решетки пропорционален количеству элементов;

- высокий уровень боковых лепестков ДН, который при одинаковом усилении всех элементов решетки не может быть ниже -13,26 дБ, что не позволяет использовать эти антенны в радиолокационных системах. Снижение боковых лепестков ДН за счет создания спадающего к краям амплитудного распределения еще больше снижает коэффициент направленного действия (КНД) антенной системы.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является получение высокого коэффициента усиления антенной решетки при низком уровне боковых лепестков (УБЛ) диаграммы направленности (ДН).

Технический результат достигается тем, что в отличии от прототипа в котором, элементы антенных решеток равномерно распределены, и сигналы с выходов решеток, поступают на входы системы перемножения, в предлагаемом изобретении элементы ФАР по случайной выборки делятся на равные части по числу решеток, при этом каждая решетка является разреженной со случайным распределением элементов по апертуре ФАР

Элементы каждой из решеток располагаются на плоской поверхности в узлах регулярной сетки (квадратной, прямоугольной или треугольной) случайным образом. Решетки образуют двумерную ФАР заданной формы (прямоугольную, круглую, эллиптическую и др.), а элементы решеток заполняют площадь апертуры ФАР полностью (без пропуска узлов сетки). Количество решеток выбирается с учетом требуемого уровня боковых лепестков и минимально допустимого отношения «сигнал/шум» на выходе решетки.

На фиг. 1 показано положение центров элементов прямоугольной ФАР состоящей из 30×20 элементов, разбитой на 3 решетки, сигналы с выхода которых перемножаются. Положение центров элементов каждой решетки обозначено символами: соответственно. Все расчеты производились для рабочей частоты 3000 МГц для изотропных приемных элементов.

На фиг. 2 (а, б, в) пунктиром показаны ДН каждой решетки в азимутальной плоскости, на фиг. 4 (а, б, в) - в угломестной плоскости. За направление с нулевым углом принято направление перпендикуляра к центру ФАР. Для сравнения на всех рисунках сплошной линией показана ДН всей ФАР при сложении сигналов с решеток (ДН аддитивной ФАР). Известно, что для разреженной ФАР ширина главного лепестка ДН зависит от полного размера апертуры [4], в результате она практически совпадает с шириной главного лепестка ДН каждой решетки. Средний УБЛ для разреженной решетки возрастает, при этом максимальный УБЛ может быть как больше, так и меньше максимального УБЛ для аддитивной ФАР и зависит от положения элементов в разреженной решетке. Результаты расчетов ДН, приведены на графиках (фиг. 2, фиг. 4). Расчетами ДН подтверждено, что для мультипликативной прямоугольной ФАР с равноамплитудным распределением, состоящей из L решеток, сигналы которых перемножаются, максимальный УБЛ, приближается к уровню (-13,26 дБ)⋅L. На фиг. 3 и фиг. 5, приведены расчетные ДН мультипликативной ФАР в азимутальной и угломестной плоскости, соответственно, а на фиг. 6 двухкоординатная ДН этой мультипликативной ФАР.

Описание чертежей

На фиг. 1 показано положение центров элементов прямоугольной ФАР состоящей из 30×20 элементов, разбитой на три решетки, сигналы с выходов которых перемножаются. Каждая решетка состоит из 200 элементов расставленных случайным образом по узлам регулярной прямоугольной сетки.

На фиг. 2 (а, б, в) пунктирной линией показаны нормированные ДН трех решеток из которых состоит мультипликативная ФАР в азимутальной плоскости, сплошной линией - ДН обычной (аддитивной ФАР) с той же геометрией. Расчеты произведены для частоты сигнала 3000 МГц.

На фиг. 3 приведены ДН рассматриваемой мультипликативной ФАР (пунктирной линией) и, для сравнения, ДН аддитивной ФАР с той же геометрией (сплошной линией) в азимутальной плоскости.

На фиг. 4 (а, б, в) пунктирной линией показаны нормированные ДН трех решеток из которых состоит мультипликативная ФАР в азимутальной плоскости, сплошной линией - ДН обычной (аддитивной ФАР) с той же геометрией.

На фиг. 5 приведены ДН рассматриваемой мультипликативной ФАР (пунктирной линией) и, для сравнения, ДН аддитивной ФАР с той же геометрией (сплошной линией) в угломестной плоскости.

На фиг. 6. Показана двухкоординатная ДН мультипликативной ФАР, изображенной на фиг. 1.

Осуществление изобретения

Устройство работает следующим образом.

Сигналы, принимаются и усиливаются решетками, элементы которых распределены по апертуре ФАР по случайному закону. В зависимости от рабочей частоты, требований к широкополосности сигнала, коэффициенту усиления и массогабаритным характеристикам в качестве элементов решеток могут использоваться различные типы антенн (диполи, логопериодические антенны, открытые концы волноводов, волноводные рупорные антенны и т.д.). Сигналы с выходов решеток поступают на входы системы перемножения. Перемножение сигналов может производиться как в цифровом виде, после предварительного аналого-цифрового преобразования, так и аналоговом виде, например, суммированием сигналов с выходов логарифмических усилителей.

Библиографические данные

1. Бененсон Л.С. Антенные решетки. М.: Советское радио, 1966. С. 307-309.

2. Сканирующие антенные системы СВЧ. Пер. с англ. Под ред. Г.Т. Маркова и А.Ф. Чаплина. М. Том 1. М.: Советское радио, 1966. С. 373-376.

3. Реутов А.П., Михайлов Б.А., Кондратенков Г.С., Бойко Б.В. Радиолокационные станции бокового обзора. М.: Советское радио, 1970. С. 65.

4. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ. К.Н. Трофимова. Том 2. Радиолокационные антенные устройства. Под ред. П.И. Дудника. М.: Советское радио, 1977. С. 157.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах связи и радиолокации. Техническим результатом изобретения является получение высокого коэффициента усиления антенной решетки при низком уровне боковых лепестков (УБЛ) диаграммы направленности (ДН). Приемная мультипликативная фазированная антенная решетка (ФАР), состоящая из антенных решеток, с выходов которых сигналы поступают на входы системы перемножения, отличается тем, что элементы ФАР по случайной выборке делятся на равные части по числу решеток, при этом каждая решетка является разреженной со случайным распределением элементов по апертуре ФАР. При этом все решетки образуют двумерную ФАР заданной формы (прямоугольную, круглую, эллиптическую и др.). Элементы решеток заполняют площадь апертуры ФАР полностью (без пропуска узлов сетки). В результате максимальный уровень боковых лепестков мультипликативной диаграммы направленности будет приблизительно равен (-13,26 дБ)L, где L - количество подрешеток, образующих мультипликативную ФАР. 6 ил.

Приемная мультипликативная фазированная антенная решетка (ФАР), состоящая из антенных решеток, с выходов которых сигналы поступают на входы системы перемножения, отличающаяся тем, что элементы ФАР по случайной выборке делятся на равные части по числу решеток, при этом каждая решетка является разреженной со случайным распределением элементов по апертуре ФАР.