СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ Российский патент 2020 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано для продления срока службы радиокомплексов путем восстановления деформированных в ходе эксплуатации диаграмм направленности фазированных антенных решеток, входящих в состав этих радиокомплексов.

Известно изобретение - способ компенсации деформаций диаграмм направленности (ДН) фазированных антенных решеток (ФАР) [1]. В известном способе компенсируют деформации ДН, вызванные изменениями положения излучающих элементов ФАР в ходе эксплуатации в результате механических или температурных воздействий. Целью является восстановление коэффициента усиления (КУ) ФАР до своего проектного значения. При данном способе для каждого антенного элемента случайным образом генерируется и устанавливается некоторое значение фазовой коррекции излучаемого поля. С помощью эталонной антенны определяют значение КУ ФАР, полученное после фазовой коррекции, и сравнивают его с проектным значением. Итерационный процесс повторяют в соответствии с генетическим алгоритмом до восстановления проектного значения КУ ФАР.

К недостаткам известного изобретения относятся:

- необходимость использования дополнительной эталонной антенны для анализа качества восстановления ДН;

- данный метод восстанавливает только величину коэффициента усиления в максимуме излучения, не учитывая такие существенные параметры восстанавливаемой ДН как направление главного лепестка ДН, ширину главного лепестка ДН, уровень боковых лепестков и т.д.

Признаки настоящего изобретения, совпадающие с признаками аналога:

- определение и установка в антенных элементах компенсирующей фазовой коррекции, обеспечивающей восстановление проектных ДН ФАР.

Известно изобретение - способ адаптивного подавления пространственных помех [2] в котором предложен способ преобразования ДН антенн, наиболее близкий по своей технической сути к патентуемому изобретению, который принят за прототип настоящего изобретения. В известном изобретении по ρ₀(х,у) - заданной функции нормированного амплитудного распределения основной поляризационной составляющей напряженности электромагнитного поля в апертуре плоской ФАР строится последовательность двумерных ортонормированных полиномов P_nm(x,y). Для каждого направления прихода помех (θ_ij, ϕ_ij), где i - номер бокового лепестка ДН, j - номер сектора в боковом лепестке; минимизируя функционал где - исходная энергетическая ДН антенны, λ_ij - множители Лагранжа, находят значения C_nm - коэффициентов Фурье разложения функции фазового распределения поля в плоской апертуре антенны Ф(х,у) и определяют Ф(х,у) по формуле , где k - волновое число свободного пространства, l - максимальный линейный размер апертуры антенны. Реализуют Ф(х,у) в апертуре антенны, что обеспечивает формирование провалов в ДН в направлениях прихода помех.

К недостаткам прототипа относится то, что в нем не рассмотрена возможность использования предложенного способа преобразования ДН в задачах восстановления деформированных ДН антенн.

Признаки настоящего изобретения, совпадающие с признаками прототипа:

- использование представления функции фазового распределения напряженности поля в апертуре антенны в виде разложения в ряд Фурье по ортогональным полиномам P_nm(x,y);

- использование данных о проектных параметрах антенной системы и геометрических параметрах апертуре антенны;

- определение и установка в апертуре антенны необходимого фазового распределения электромагнитного поля, обеспечивающего формирование требуемой ДН.

Настоящее изобретение - способ восстановления диаграммы направленности решает задачу восстановления проектной ДН плоских ФАР, фазовое распределение поля в плоской апертуре которых деформировано в ходе эксплуатации.

Технический результат настоящего изобретения - обеспечение восстановления проектных ДН плоских ФАР. Задача восстановления ДН решается лишь на основе знания проектных параметров плоской ФАР и вида деформированной ДН. При восстановлении ДН не требуется знание искаженного фазового распределения в апертуре ФАР и использование дополнительной измерительной аппаратуры для контроля параметров восстановленной ДН. Для радиокомплексов, установленных на космических аппаратах (КА), изобретение дает возможность продлевать срок эксплуатации КА.

Сущность патентуемого способа восстановления диаграммы направленности поясняется описанием примеров его реализации и чертежами, на которых представлены:

Фиг. 1. Схема многоэлементной плоской ФАР.

Фиг. 2. Сравнение проектной, деформированной и восстановленной диаграмм направленности.

На фиг. 1, фиг. 2 введены следующие обозначения:

1_r - антенный элемент, 2_r - управляемый фазовращатель антенного элемента 1_r, 3 - СВЧ разветвитель, 4 - блок управления; 5 - проектная диаграмма направленности f₀(θ,ϕ); 6 - деформированная диаграмма направленности f_д(θ,ϕ); 7 - восстановленная диаграмма направленности f_вoc(θ,ϕ).

Настоящее изобретение имеет различные варианты реализации. Выбор конкретной реализации настоящего изобретения обусловлен функциональными задачами, областью и условиями его практического использования.

1. Способ восстановления диаграммы направленности, который обеспечивает восстановление ДН в заданном секторе обзора ДН и включает создание плоской ФАР, состоящей из антенных элементов 1_r, управляемых фазовращателей 2_r, СВЧ разветвителя 3 и блока управления 4 (см. Фиг. 1).

Для плоской ФАР известны: ƒ₀(θ,ϕ) - проектная энергетическая ДН, где θ,ϕ - сферические координаты точки наблюдения; (θ₀,ϕ₀) - направление главного лепестка проектной энергетической ДН; ƒ_д(θ,ϕ) - деформированная энергетическая ДН, возникшая в результате воздействий на ФАР при эксплуатации; (θ_д,ϕ_д) - направление главного лепестка деформированной энергетической ДН; (θ₁≤θ≤θ₂, ϕ₁≤ϕ≤ϕ₂) - сектор обзора ДН, в котором производят восстановление проектной ДН; δ - пороговое значение коэффициента несовпадения проектной и восстановленной диаграмм направленности в секторе (θ₁≤θ≤θ₂, ϕ₁≤ϕ≤ϕ₂); Ω(х,у) - область апертуры плоской ФАР; х,у - координаты точки в плоскости апертуры ФАР; K - общее число антенных элементов; x_r,y_r - координаты фазовых центров антенных элементов под номерами r, где r=1, …, K; Ф₀(х,у) - проектная функция распределения фазы напряженности электромагнитного поля в апертуре ФАР; Ф₀(x_r,y_r) - значения Ф₀(х,у), которые были установлены в апертуре в точках размещения антенных элементов под номерами r при вводе ФАР в эксплуатацию, где r=1, …, K, ρ₀(х,у) - проектное амплитудное распределение напряженности электромагнитного поля в апертуре; P_nm(x,y) - множество ортонормированных гармоник, где (n,m) - номера гармоник; λ - рабочая длина волны.

Множество P_nm(x,y) - это ортонормированные гармоники разложения функции ρ₀(х,у) в области Ω(х,у), где (n,m) - номера гармоник, которые находят по известной методике [3].

Деформированную ДН для ФАР, обслуживание которых возможно на наземных площадках, измеряют по стандартным методикам.

Для ФАР, установленных на находящихся в эксплуатации КА, данные о ƒ_д(θ,ϕ) получают в ходе обработки данных полей специальных наземных измерителей (СПИ), позволяющих провести измерения величин сигналов радиолиний ФАР КА - СПИ в широком диапазоне значениях (θ,ϕ) [5, 6, 7].

Величину сектора обзора ДН - (θ₁≤θ≤θ₂, ϕ₁≤ϕ≤ϕ₂) устанавливает в соответствии со стоящими задачами пользователь ФАР, учитывая то, что с увеличением сектора обзора резко возрастает объем вычислительных процедур.

При реализации способа восстановления диаграммы направленности определяют - функцию модельного распределения фазы напряженности поля в апертуре ФАР, при котором модельная диаграмма направленности - совпадает в секторе обзора (θ₁≤θ≤θ₂, ϕ₁≤ϕ≤ϕ₂) с деформированной энергетической ДН ФАР - ƒ_д(θ,ϕ). По результатам сравнения и Ф₀(х,у) определяют и вносят фазовые поправки в распределение фазы напряженности электромагнитного поля в апертуре ФАР, которые обеспечивают формирование ƒ_вос(θ,ϕ) - восстановленной ДН ФАР, которая в секторе обзора (θ₁≤θ≤θ₂, ϕ₁≤ϕ≤ϕ₂) совпадаете f₀(θ,ϕ).

В ходе реализации изобретения выполняют следующие операции.

представляют в виде отрезка ряда Фурье , где , где , , - коэффициенты ряда Фурье.

Искомыми являются значения , , и минимальные значения М, N, при которых достигается требуемое совпадение с ƒ_д(θ,ϕ) в секторе обзора (θ₁≤θ≤θ₂, ϕ₁≤ϕ≤ϕ₂).

При определении , используют то обстоятельство, что направление главного лепестка ДН задает - линейная составляющая функции .

Поэтому в соответствие с [4] из системы уравнений:

по известному направлению главного лепестка деформированной ДН - (θ_д,ϕ_д) находят коэффициенты , где a₁₁, b₀₁, b₁₁ - коэффициенты линейных ортонормированных гармоник Р₁₀(х,у)=a_11x+а₁₀, P₀₁(x,y)=b_11y+b_01x+b₁₀, и определяют функцию .

При определении модельную диаграмму направленности - представляют в виде

Минимизируя, при известной функции и фиксированных значениях М, N, функционал , где - величина комплексно сопряженная , и последовательно увеличивая значения М, N, определяют минимальные значения и , где при которых выполняется неравенство: , где . Неравенство: является условием совпадения с ƒ_д(θ,ϕ) в секторе обзора (θ₁≤θ≤θ₂, ϕ₁≤ϕ≤ϕ₂) с заданной точностью. По известным определяют функцию .

По формуле , используя полученные значения , , , вычисляют - значения в точках размещения антенных элементов под номерами r, где r=1, …, K.

Вычисляют , где r=1, …, K, - значения фазовых поправок, при введении которых в деформированное распределения фазы напряженности поля в апертуре ФАР обеспечивается восстановление в секторе обзора (θ₁≤θ≤θ₂, ϕ₁≤ϕ≤ϕ₂) проектной диаграммы направленности ФАР.

С помощью блока управления 4 и управляемых фазовращателей 2_r в распределение фазы напряженности поля в точках апертуры ФАР с координатами x_r, y_r добавляют фазовый сдвиг ΔФ_r, где r=1, …, K.

2. Вторым вариантом патентуемого способа восстановления диаграммы направленности плоской фазированной антенной решетки, является его модификация в случаях, при которых восстанавливают только направление главного лепестка ДН.

При реализации данного варианта используют то, что направление главного лепестка ДН определяют только линейные элементы разложения функции распределения фазы напряженности поля в апертуре ФАР в ряд Фурье по линейным ортонормированным гармоникам Р₁₀(х,у)=a_11x+а₁₀, P₀₁(x,y)=b_11y+b_01x+b₁₀.

В соответствие с [4] из системы уравнений:

по известному направлению главного лепестка проектной ДН - (θ₀,ϕ₀) находят коэффициенты , , вычисляют , где r=1, …, K, - значения линейной составляющей разложения проектной функции распределения фазы напряженности электромагнитного поля в апертуре ФАР в ряд Фурье.

Из системы уравнений:

по известному направлению главного лепестка деформированной ДН - (θ_д,ϕ_д) находят коэффициенты , , вычисляют , где r=1, …, K, - значения линейной составляющей разложения деформированной функции распределения фазы напряженности электромагнитного поля в апертуре ФАР в ряд Фурье.

Вычисляют значения , где r=1, …, K, - значения фазовых поправок в деформированное распределения фазы напряженности поля в апертуре ФАР, при которых обеспечивается восстановление направления главного лепестка диаграммы направленности ФАР.

С помощью блока управления 4 и управляемых фазовращателей 2_r в распределение фазы напряженности поля в точках апертуры ФАР с координатами x_r,y_r добавляют фазовый сдвиг ΔФ_r, где r=1, …, K.

Для подтверждения реализуемости и эффективности патентуемого способа восстановления диаграммы направленности было проведено математическое моделирование процедуры восстановления диаграммы направленности, результаты которого иллюстрируются на фиг. 2.

Моделирование проводилось для линейной антенной решетки из 10 элементов (K=10), с межэлементным расстоянием x_r-x_r-1=λ/2, длиной решетки L=4,5λ. Проектная ДН с направлением главного лепестка θ₀=0 показана на поз. 4 фиг. 2. Деформированная ДН с направлением главного лепестка θ_д=3.5 угловых градусов показана на поз. 5 фиг. 2.

Восстановление ДН проводилось в секторе обзора (- 30 угл. град. ≤θ≤30 угл. град.) при заданном значении δ=5*10^-4.

Восстановленная ДН показана поз. 3 фиг. 2. При восстановлении в отрезка ряда Фурье потребовалось учитывать три первые гармоники.

Как видно из фиг. 2 совпадение восстановленной и проектной диаграмм направленности в секторе обзора (-30 угл. град. ≤θ≤30 угл. град.) произведено с высокой точностью при реализованном значении δ=3*10^-4.

Таким образом, патентуемый способ восстановления диаграммы направленности практически реализуем и обеспечивает объявленный технический результат - обеспечивает восстановление ДН лишь на основе знания проектных параметров плоской ФАР и вида деформированной ДН.

Литература

1. Seong-Ho Son, Soon-Young EomDaen, Soon-IkJeon, Woon-Bong Hwang, US 7,994,980 B2

2. Патент №2488928 Российская Федерация, МПК H01Q 21/00. Способ адаптивного подавления пространственных помех / Бондарев В.Е., Гусевский В.И., Дупленкова М.Д.; заявитель и патентообладатель АО "ОКБ МЭИ" - №2012137999, заявл. 06.09.2012; опубл. 27.07.2013 Бюл. №21.

3. Суетин П.К., Ортогональные многочлены по двум переменным. М.: Наука, 1976 г., стр. 32

4. Зелкин Е.Г., Кравченко В.Ф., Гусевский В.И. Конструктивные методы аппроксимации в теории антенн. - М.: Сайнс-пресс, 2005, стр. 363

5. TerraSAR-X Calibration Results. М. Schwerdt; В. Brautigam; М. Bachmann; В. Doring; D. Schrank; J. Hueso Gonzalez. IGARSS 2008 - 2008 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. 7-11 July 2008.

6. TerraSAR-X Antenna Calibration and MonitoringBased on a Precise Antenna Model. Markus Bachmann, Marco Schwerdt, and Benjamin . IEEE TRANSACTIONS ON GEOSOENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 48, NO. 2, FEBRUARY 2010.

7. IN-ORBIT CALIBRATION OF THE TANDEM-X SYSTEM. Marco Schwerdt, Jaime Hueso Gonzalez, Markus Bachmann, et al. 2011 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано для продления срока службы радиокомплексов. Технический результат настоящего изобретения - обеспечение восстановления проектных ДН плоских ФАР лишь на основе знания проектных параметров плоской ФАР и вида деформированной ДН. При реализации способа восстановления диаграммы направленности определяют функцию модельного распределения фазы напряженности поля в апертуре ФАР, при котором модельная диаграмма направленности - совпадает в заданном секторе обзора (θ₁≤θ≤θ₂, ϕ₁≤ϕ≤ϕ₂) с деформированной ДН ФАР - ƒ_д(θ, ϕ). По результатам сравнения с Ф₀(х,у) - функцией проектного распределения фазы напряженности поля в апертуре ФАР определяют и вносят фазовые поправки в распределение фазы напряженности электромагнитного поля в апертуре ФАР, которые обеспечивают формирование ƒ_вос(θ, ϕ) - восстановленной ДН ФАР, которая в секторе в обзора (θ₁≤θ≤θ₂, ϕ₁≤ϕ≤ϕ₂) совпадает с проектной ДН - f₀(θ, ϕ). Предложена специальная процедура восстановления направления главного лепестка ДН. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ восстановления диаграммы направленности включает создание плоской фазированной антенной решетки (ФАР), состоящей из антенных элементов, управляемых фазовращателей, СВЧ разветвителя и блока управления, для плоской ФАР известны: ƒ₀(θ,ϕ) - проектная энергетическая диаграмма направленности (ДН), где θ,ϕ - сферические координаты точки наблюдения; (θ₀,ϕ₀) - направление главного лепестка проектной энергетической ДН; ƒ_д(θ,ϕ) - деформированная энергетическая ДН: (θ_д,ϕ_д) - направление главного лепестка деформированной энергетической ДН; (θ₁≤θ≤θ₂, ϕ₁≤ϕ≤ϕ₂) - сектор обзора, в котором производят восстановление проектной ДН; δ - пороговое значение коэффициента несовпадения проектной и восстановленной диаграмм направленности в секторе (θ₁≤θ≤θ₂, ϕ₁≤ϕ≤ϕ₂); Ω(x,y) - область апертуры плоской ФАР; х,у - координаты точки в плоскости апертуры ФАР; K - общее число антенных элементов; x_r,y_r - координаты фазовых центров антенных элементов под номерами r, где r=1, …, K.; Ф₀(х,у) - проектная функция распределения фазы напряженности электромагнитного поля в апертуре ФАР; Ф₀(x_r,y_r) - значения Ф₀(х,у) в точках размещения антенных элементов под номерами r, где r=1, …, K; ρ₀(х,у) - проектное амплитудное распределение напряженности электромагнитного поля в апертуре ФАР; P_nm(x,y) - множество ортонормированных гармоник, где (n,m) - номера гармоник; λ - рабочая длина волны, отличающийся тем, что - модельную функцию распределения фазы напряженности поля в апертуре ФАР представляют в виде отрезка ряда Фурье , где , ,, - коэффициенты ряда Фурье, из системы уравнений находят коэффициенты , , где а₁₁, b₀₁, b₁₁ - коэффициенты линейных ортонормированных гармоник P₁₀(x,y)=a_11x+a₁₀, P₀₁(x,y)=b_11y+b_01x+b₁₀, определяют функцию , модельную диаграмму направленности - представляют в виде , минимизируя, при известной функции и фиксированных значениях М, N, функционал , где - величина комплексно сопряженная и последовательно увеличивая значения М, N, определяют минимальные значения и где при которых выполняется неравенство: , где определяют функцию , вычисляют - значения в точках размещения антенных элементов под номерами r, где r=1, …, K, вычисляют , где r=1, …, K, с помощью блока управления и управляемых фазовращателей в распределение фазы напряженности поля в точках апертуры ФАР с координатами x_r, y_r добавляют фазовый сдвиг ΔФ_r, где r=1, …, K.

2. Способ восстановления диаграммы направленности плоской фазированной антенной решетки по п. 1, отличающийся тем, что, восстанавливают направление главного лепестка ДН, для чего из системы уравнений , где а₁₁, b₀₁, b₁₁ - коэффициенты известных линейных ортонормированных гармоник Р₁₀(х,у)=a_11x+а₁₀, P₀₁(x,y)=b_11y+b_01x+b₁₀, находят коэффициенты , , вычисляют , где r=1, …, K, из системы уравнений , находят коэффициенты вычисляют где r=1, …, K, вычисляют значения где r=1, …, K.