Способ компенсации искажений амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве адаптивной антенной решетки, обусловленных влиянием климатических факторов Российский патент 2020 года по МПК G01R29/10 H01Q3/26 H04B1/12 

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для формирования требуемого амплитудно-фазового распределения (АФР) поля в раскрыве адаптивной антенной решетки (ААР), искажения которого вызваны влиянием климатических факторов в виде снежного или ледяного покрытия на элементах ее конструкции.

Известны способы компенсации искажений АФР поля в раскрыве антенны, вызванных влиянием климатических факторов в виде снега и льда на элементах ее конструкции. Среди них можно отметить [1-3].

Принцип работы способов [1, 2, 3] основан на использовании обдува нагретым воздухом элементов конструкций параболических антенн.

Известен также способ, основанный на применении радиопрозрачного купола, оболочка которого состоит из двух слоев, между которыми циркулирует нагретый воздух [4].

Общим недостатком известных аналогов [1, 2, 3, 4] является то, что все они применимы только к антеннам зеркального типа, имеющим к тому же сравнительно небольшие линейные размеры конструкции. В настоящее время широко применяются радиолокационные станции (РЛС), предназначенные для обнаружения малоразмерных объектов (~10-15 см) на больших дальностях (более 3000 километров). Антенны таких РЛС представляют собой стационарные крупноапертурные сооружения, на элементах которых вследствие воздействия климатических факторов могут образовываться снежные и ледяные покрытия. Лед и снег в общем случае представляют собой неидеальные диэлектрики, комплексная диэлектрическая проницаемость которых содержит как действительную так и мнимую части.

Как показывает анализ справочных материалов, действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости снега и льда ε'=2…3, что приводит к изменению длины волны, распространяющейся в такой среде в раз, то есть приблизительно в 1,5 раза, а это приводит к нарушению фазовых соотношений между электромагнитными волнами, излучаемыми различными элементами антенной решетки, следовательно, к искажению главного лепестка диаграммы направленности, снижению коэффициента усиления антенны, росту боковых лепестков диаграммы направленности. Наличие мнимой составляющей комплексной диэлектрической проницаемости снега и льда характеризует тепловые потери в этих средах, а следовательно, ведет к снижению коэффициента полезного действия антенны. Механическое или тепловое удаление снега и льда с элементов конструкций ААР является сложным и длительным технологическим процессом. Размещение таких антенн внутри защитного радиопрозрачного купола невозможно из-за их больших размеров (десятки-сотни метров). Поэтому наиболее приемлемым методом борьбы с влиянием снежного и ледяного покрытия на характеристики направленности ААР является электронная компенсация искажений диаграммы направленности. Именно такой способ компенсации искажений АФР поля в раскрыве ААР, обусловленных влиянием климатических факторов, предложен в способе [5]. Данный способ, который выбран в качестве прототипа, характеризуется выполнением следующих действий:

- использованием вспомогательной антенной системы в виде отдельного излучателя, расположенного в дальней зоне от ААР и излучающего контрольный сигнал в рабочем диапазоне частот ААР;

- измерением амплитуд принятого контрольного сигнала, а также фазовых сдвигов в сигналах для каждого отдельного излучателя ААР, обусловленных наличием снежного или ледяного покрытия на элементах ее конструкции;

- сравнением амплитуд и фаз принятых сигналов для каждого из излучателей ААР с расчетными значениями;

- выработкой управляющих воздействий для компенсации искажений диаграммы направленности ААР, обусловленных воздействием климатических факторов, по результатам измерений амплитуд и фазовых сдвигов принятых контрольных сигналов каждого из излучателей и сравнения их с расчетными значениями.

Выбранный в качестве прототипа способ компенсации искажений АФР поля в раскрыве ААР имеет следующие недостатки:

- сложность технической реализации при компенсации искажений АФР в раскрыве ААР, вызванная тем, что вспомогательную антенну располагают в дальней зоне от антенной решетки.

Как известно, граница дальней зоны определяется соотношением

где L - максимальный размер раскрыва антенной решетки; λ - длина волны.

Например, в дециметровом диапазоне (λ=0,5 м) при L=100 м получаем R_д.з.≥4⋅10⁴ м, то есть не менее 40 км. Естественно, выполнение условия (1) связано со значительными техническими и организационными проблемами;

- низкая точность компенсации искажений АФР поля в раскрыве ААР, обусловленных влиянием климатических факторов, вызванная тем, что управляющие воздействия для изменения амплитуд и фаз сигналов, принятых каждым излучателем антенной решетки, формируют на основе сравнения амплитуд и фаз сигналов, принятых каждым отдельным излучателем антенной решетки, с расчетными значениями. В то же время сами расчетные значения никогда не могут быть точными, так как невозможно точно учесть истинные значения диаграммы направленности вспомогательной антенны в направлении на каждый отдельный излучатель антенной решетки, а также истинные значения диаграммы направленности каждого отдельного излучателя антенной решетки в направлении на вспомогательную антенну, а также точные расстояния между вспомогательной антенной и каждым излучателем антенной решетки. Кроме того, невозможно учесть влияние переотражений от подстилающей поверхности и различных предметов.

Задачей заявленного изобретения является упрощение технической реализации и повышение точности компенсации искажений АФР поля в раскрыве ААР, обусловленных влиянием климатических факторов.

Указанный технический результат достигается тем, что:

- во-первых, вспомогательную антенну устанавливают не в дальней зоне по отношению к антенной решетке, а в промежуточной;

- во-вторых, результаты измерений амплитуд и фаз сигналов, принятых каждым отдельным излучателем, сравнивают не с расчетными значениями, а с результатами соответствующих измерений амплитуд и фаз в отсутствие снежных и ледяных покрытий на элементах антенной решетки, которые принимают в качестве эталонных значений и записывают в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) программируемого микроконтроллера.

Удаление вспомогательной антенны от антенной решетки принимают таким образом, чтобы апертура антенной решетки была полностью в пределах главного лепестка диаграммы направленности вспомогательной антенны. Например, при максимальном линейном размере апертуры антенной решетки L=100 м и ширине главного лепестка диаграммы направленности вспомогательной антенны Δθ_0,5=20° это расстояние составит

Границы промежуточной зоны R_п.з. (зоны Френеля) определяют в соответствии с соотношением

Сопоставление результатов вычислений по (2) и (3) показывает, что удаление вспомогательной антенны от антенной решетки R_п.з.≈320 м соответствует критерию промежуточной зоны (зоны Френеля) и в то же время апертура антенной решетки L=100 м находится полностью в пределах ширины главного лепестка диаграммы направленности вспомогательной антенны (Δθ_0,5=20°). При таком удалении обеспечивается выполнение поставленной в заявленном изобретении задачи - упрощение технической реализации способа компенсации искажений АФР в раскрыве ААР.

Выполнение второй поставленной задачи заявленного способа - повышения точности компенсации искажений АФР поля в раскрыве ААР достигается тем, что сравнение амплитуд и фаз сигналов, принятых каждым приемным каналом, производят не с расчетным значением, амплитуд и фаз сигналов, а с эталонными значениями амплитуд и фаз сигнала, полученных при их измерениях в отсутствие снежного и ледяного покрытия на элементах антенной решетки. При этом не требуется точного знания формы диаграммы направленности вспомогательной антенны и каждого излучателя антенной решетки, а также точных значений расстояний от вспомогательной антенны до каждого излучателя антенной решетки. Поскольку значения диаграмм направленности и расстояний одни и те же как при измерении эталонных значений амплитуд и фаз, принятых каждым каналом сигналов, то есть в отсутствие снежного и ледяного покрытий на элементах антенной решетки, так и при измерениях амплитуд и фаз принятых сигналов при наличии ледяного и (или) снежного покрытий на ее элементах, отличия между измеренными и эталонными значениями амплитуд и фаз принятых сигналов каждым приемным каналом обусловлены только влиянием климатических факторов. Так как именно на основе этих отличий формируются управляющие воздействия для изменения амплитуд и фаз сигналов, снимаемых с выходов отдельных каналов антенной решетки, достигается второй технический результат заявленного способа - повышение точности компенсации искажений АФР в раскрыве ААР.

Таким образом, достигается заявленный технический результат - упрощение технической реализации и повышение точности компенсации искажений АФР поля в раскрыве ААР.

Работа устройства, реализующего предлагаемый способ компенсаций искажений АФР поля в раскрыве ААР иллюстрируется чертежами на фиг. 1 и фиг. 2.

На фиг. 1 приведена структурная схема приемного модуля ААР (где 1 - излучатель приемного модуля; 2 - малошумящий усилитель (МШУ); 3 - смеситель (СМ); 4 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ); 5 - квадратурный аналого-цифровой преобразователь (КАЦП)).

На фиг. 2 приведена структурная схема устройства компенсации АФР в раскрыве ААР (где 1 - излучатели приемных модулей ААР; 6 - приемные модули (ПМ) ААР; 7 - блок коммутации (БК); 8 - блок коррекции (БК); 9 - система цифрового формирования диаграммы направленности (СЦФДН); 10 - высокостабильный задающий генератор (ЗГ); 11 - генератор контрольного сигнала (ГКС); 12 - усилитель мощности (УМ); 13 - вспомогательная антенна (А); 14 - блок управления (БУ); 15 - блок формирования корректирующих кодов (БФКК); 16 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)).

Устройство, реализующее заявленный способ компенсации искажений АФР поля в раскрыве ААР работает следующим образом.

По командам БУ включается ЗГ, ГКС и УМ. Блок коммутации поочередно в определенной последовательности подключает выходы приемных модулей ПМ-1 … ПМ-N к БФКК, выходы которого в той же последовательности подключаются к первым входам соответствующих каналов БК. Каждый канал БК представляет собой комплексный перемножитель, на вторые входы которых с выходов ПЗУ поступают корректирующие коды.

С поступлением соответствующей команды от БУ высокостабильный ЗГ вырабатывает колебания с частотой f_3r, которые поступают на вход ГКС, который путем соответствующих частотных преобразований из колебаний с частотой f_зг формирует контрольный сигнал с частотой f₀, являющиеся рабочей частотой ААР, который после усиления УМ поступает на вход вспомогательной антенны А и излучается в направлении ААР.

Одновременно колебания ГКС поступают на блок первого БГ-1 и второго БГ-2. Блок БГ-1 формирует колебания с частотой f_г1=f₀±f_пр (где f_пр - промежуточная частота приемного модуля, которая поступает на смеситель приемного модуля) как показано на фиг. 1. Блок БГ-2 по своему построению является смесителем, на второй вход которого поступают колебания с выхода блока БГ-1 с частотой f_г1. В результате их суммирования, нелинейного преобразования и частотной фильтрации формируются колебания с частотой f_г1-f₀=f_пр, которые используются в качестве опорного напряжения КАЦП приемного модуля (фиг. 1),

Принятые излучателями И1 … HN приемных модулей контрольные сигналы усиливаются МШУ преобразуются смесителем СМ на промежуточную частоту f_пр и усиливаются усилителем промежуточной частоты УПЧ, комплексную огибающую напряжения на выходе которого можно представить в виде

где U_i - модуль комплексной амплитуды; ϕ_i - фаза напряжения на выходе УПЧ i-го приемного модуля (i∈1…N).

После аналогово-цифрового преобразования (4) в КАЦП (фиг. 1) выделяются его квадратурные составляющие

Если при выполнении операций компенсации искажений АФР на элементах конструкции ААР отсутствуют ледяные и снежные покрытия, амплитуда U_i и фаза ϕ_i в выражениях (5) и (6) определяются только взаимным расположением вспомогательной антенны А и ААР. Поэтому результаты (5) и (6) принимаются в качестве эталонных и поступают в блок БФКК и запоминаются в ПЗУ.

Если при выполнении операций компенсации искажений АФР поля на элементах конструкции ААР присутствуют ледяные и снежные покрытия, то текущие значения амплитуды U_iтек и фазы ϕ_iтек в выражениях (5) и (6) будут отличаться от эталонных значений, то есть Полученные значения и поступают в БФКК, где корректирующие коды для каждого i-го приемного модуля формируются в соответствии с соотношением

Результаты вычисления по (7) записывают в ПЗУ и поступают на соответствующие комплексные перемножителей каналов блока коррекции. По окончании процесса компенсации искажений АФР от блока управления поступает команда на перевод РЛС в штатный режим функционирования РЛС.

При этом выходы всех приемных модулей подключаются к входам блока калибровки, где выходные сигналы всех ПМ умножают на корректирующие коэффициенты в результате чего на выходах БК формируют скорректированные значения комплексных амплитуд текущих значений выходных сигналов

Таким образом, комплексные амплитуды сигналов на выходах всех приемных модулей оказываются равными эталонным значениям полученным при проведении измерений в отсутствие снежного и ледяного покрытий на элементах ААР. Так искажения АФР поля в раскрыве ААР, обусловленные влиянием климатических факторов оказываются скомпенсированными. При изменениях характеристик климатических факторов процедуру компенсации их влияния на АФР поля необходимо периодически повторять.

По окончании процедуры компенсации искажений АФР поля в раскрыве ААР РЛС переводится в штатный режим функционирования. При этом скорректированные сигналы (8) с выходов всех БК поступают на входы СЦФДН, где формирование диаграммы направленности осуществляется путем весового суммирования скорректированных сигналов приемных модулей (8). При этом достигается положительный эффект в упрощении технической реализации способа за счет сокращения удаления вспомогательной антенны от ААР и повышения точности компенсации искажений АФР за счет сравнения измеренных значений амплитуд и фаз выходных сигналов приемных модулей ААР не с расчетными значениями, а с эталонными, полученными в процессе измерения амплитуд и фаз выходных сигналов в отсутствие снежных и ледяных покрытий на элементах конструкций ААР.

В соответствии с изложенным выполняют следующую последовательность операций:

1) определяют диаграмму направленности вспомогательной антенны;

2) устанавливают вспомогательную антенну на удалении от ААР в промежуточной зоне таким образом, чтобы апертура ААР была в пределах ширины главного лепестка диаграммы направленности вспомогательной антенны;

3) излучают контрольные сигналы в направлении апертуры ААР в отсутствии снежного и ледяного покрытий на элементах конструкции ААР;

4) принимают регистрируемые при этом значения амплитуды и фазы сигналов на выходах приемных модулей в качестве эталонных значений и записывают в постоянное запоминающее устройство;

5) формируют на основе сравнения текущих значений амплитуд и фаз сигналов на выходах приемных модулей, полученных в присутствии снежного и ледяного покрытия на элементах конструкции ААР, с соответствующими эталонными значениями амплитуд и фаз выходных сигналов приемных модулей формируют комплексные корректирующие коды, которые записывают в ПЗУ;

6) умножают текущие значения, при работе РЛС в штатном режиме, комплексных амплитуд выходных сигналов приемных модулей на комплексные корректирующие коды. Добиваясь тем самым компенсации искажений АФР поля в раскрыве ААР;

7) формируют диаграмму направленности ААР путем весового суммирования скорректированных комплексных амплитуд выходных сигналов приемных модулей.

Приведенный авторами анализ научно-технической литературы позволяет сделать вывод о патентной новизне предлагаемого способа компенсации искажений амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве адаптивной антенной решетки, обусловленных влиянием климатических факторов.

Источники информации, использованные при составлении заявки:

1. Патент РФ №2192074, H01Q 1/02. Способ противобледенения наземной параболической антенны и устройство для его осуществления / А.Г. Козлов, В.И. Халиманович, Е.Н. Головенкин, А.А. Мелкомуков, Н.А. Ковалев, П.С. Морозов, Н.М. Антонов, А.Н. Котов, О.Г. Белоусова, A.И. Антипьев, Н.Г. Алексеев, Г.И. Овечкин, С.А. Чернявский. - №2000130893/09; Заявлено 2000.12.08. - Опубликовано 2003.08.20;

2. Патент РФ №2207668, Н01Q 1/02. Способ термостабилизации параболической антенны и устройство для его осуществления / А.Г. Козлов, B.И. Халиманович, Е.Н. Головенкин, Г.И. Овечкин, А.В. Леканов, А.Н. Котов, В.В. Двирный, А.А. Мелкомуков, П.С. Морозов, C.А. Чернявский. - №2000130908/09; Заявлено 2000.12.08. - Опубликовано 2003.06.27;

3. Патент РФ №2233018, H01Q 1/42. Способ противооблединения наземной параболической антенны и устройство для его реализации / Е.Н. Головенкин, В.И. Халиманович, А.Г. Козлов, Г.Д. Кесельма, Н.А. Тестоедов, Г.И. Овечкин, А.А. Мелкомуков, А.Н. Котов, С.А. Чернявский, А.И. Антипьев, А.В. Леканов, В.Н. Смирных, Н.М. Антонов. - №2003125539/09; Заявлено 2003.08.18. - Опубликовано 2004.07.20;

4. Патент РФ №2358362, H01Q 1/02. Радиопрозрачный купол / Г.М. Клещевников, А.Н. Сакулин, И.С. Семенов, С.М. Соколов, В.Г. Янов. - №2007138665/09; Заявлено 2007.10.17. - Опубликовано 2009.06.10;

5. Патент РФ №2446521, H01Q 3/26. Способ компенсации искажений амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве адаптивной антенной решетки, обусловленных влиянием климатических факторов / Д.Д. Габриэльян, А.Г. Прыгунов, А.И. Рахманинов, В.В. Трепачев, В.В. Худяков. - №2010102939/07; Заявлено 2010.01.28. - Опубликовано 2012.03.27.

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для формирования требуемого амплитудно-фазового распределения (АФР) поля в раскрыве адаптивной антенной решетки (ААР), искажения которого вызваны влиянием климатических факторов в виде снежного или ледяного покрытия на элементах ее конструкции. Техническим результатом является упрощение технической реализации и повышение точности компенсации искажений АФР поля в раскрыве ААР, обусловленных влиянием климатических факторов в виде снежного или ледяного покрытия на элементах ее конструкции. Способ компенсации искажений АФР поля в раскрыве ААР основан на использовании вспомогательной антенны, расположенной в промежуточной по отношению к ААР зоне и излучающей контрольный сигнал в диапазоне ее рабочих частот. Зарегистрированные комплексные амплитуды принятых сигналов на выходе каждого приемного модуля в отсутствие снежного и ледяного покрытия принимают в качестве эталонных и записывают в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На основе сравнения комплексных амплитуд сигналов на входах приемных модулей, зарегистрированных при наличии снежного или ледяного покрытия на элементах конструкции ААР, с соответствующими эталонными значениями комплексных амплитуд формируют цифровые корректирующие коды для компенсации искажений АФР поля в раскрыве ААР, обусловленных влиянием климатических факторов. 2 ил.

Способ компенсации искажений амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве адаптивной антенной решетки (ААР), обусловленных влиянием климатических факторов (снежного или ледяного покрытия на элементах ее конструкции), основанный на измерении амплитуд и фаз сигналов на выходах приемных модулей ААР при облучении ее контрольным сигналом, излучаемым вспомогательной антенной в рабочем диапазоне частот ААР, отличающийся тем, что определяют ширину главного лепестка диаграммы направленности вспомогательной антенны и устанавливают ее в промежуточной зоне относительно ААР таким образом, чтобы апертура ААР полностью находилась в пределах ширины главного лепестка диаграммы направленности вспомогательной антенны, осуществляют формирование корректирующих сигналов для изменения амплитуд и фаз сигналов на выходах приемных модулей ААР на основе сравнения амплитуд и фаз выходных сигналов приемных модулей, обусловленных влиянием ледяного или снежного покрытия на элементах ее конструкции, с записанными в постоянном запоминающем устройстве эталонными значениями амплитуд и фаз выходных сигналов приемных модулей, измеренных в отсутствие снежного и ледяного покрытия на элементах конструкции ААР.