Способ формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки Российский патент 2021 года по МПК H01Q3/26 

Изобретение относится к области антенной техники, в частности к способам управления формой диаграммы направленности (ДН) фазированной антенной решетки (ФАР).

При формировании диаграмм направленности специальной формы часто используются расширенные в одной из главных плоскостей лучи. В пассивных ФАР амплитудное распределение жестко ограничено параметрами распределительной системы. Поэтому все трансформации формы луча могут производиться только путем управления фазовым распределением в раскрыве ФАР. В таких условиях задача формирования лучей расширенной формы решается методами фазового синтеза.

Известен способ расширения луча на основе введения начального фазового распределения, когда к необходимому для управления лучом закону управления фазами сигналов в излучателях добавляют фазовые подставки, имеющие сферическую, параболическую или обобщенную полиномиальную формы [1 - Самойленко В.И., Шишов Ю.А. Управление фазированными антенными решетками. М.: Радио и связь, 1983, с. 129-142]. Так в многофункциональной антенной решетке при реализации квадратичного закона управления фазой ширина диаграммы направленности изменяется в несколько раз [2 - Бибарсов М.Р., Волошина В.А., Землянский С.В., Мануйлов Б.Д. и др. Исследование характеристик многофункциональной антенной решетки // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника, 2012, вып. 2, с. 3-9]. Недостатком способа, основанного на введении фазовой подставки, является то, что лучи, формируемые на его основе, обладают недостаточно высокой энергетической эффективностью, а с расширением луча растут и боковые лепестки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является «Способ формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки» (RU 2644456 С1, заявка №2016152832 от 30.12.2016г., опубл. 12.02.2018г., МПК H01Q 3/26). Он основан на определении амплитудно-фазового распределения в раскрыве фазированной антенной решетки, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении u₀, выборе пространственных положений парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности. Расширенную диаграмму направленности формируют тремя парциальными лучами, причем центральный парциальный луч ориентирован в заданном направлении u₀, а два боковых парциальных луча смещены в противоположных относительно центрального луча направлениях на угол u₁ Значение угла u₁ выбирают из решения оптимизационной задачи по критерию минимума

где ƒ(u - u₀), ƒ(u - u₀ + u₁), ƒ(u - u₀ - u₁) - соответственно диаграммы направленности центрального парциального и двух боковых парциальных лучей;

u₀=0,5kLsinθ₀ - направление максимума формируемой диаграммы направленности и центрального парциального луча в обобщенных координатах;

u₁=0,5kLsinθ₁ - смещение боковых парциальных лучей относительно максимума формируемой диаграммы направленности в обобщенных координатах;

а - амплитуды отклоненных боковых парциальных лучей;

u=0,5kLsinθ - обобщенная координата;

L - размер раскрыва фазированной антенной решетки в плоскости формируемой расширенной диаграммы направленности;

k - волновое число,

определяют амплитуды боковых парциальных лучей в соответствии с выражением

а = (ƒ(Δ) - 0,707)(0,707(ƒ(u₁) + ƒ(-u₁)) - (ƒ(Δ + u₁) + ƒ(Δ - u₁)))^-1,

где

Δ - полуширина диаграммы направленности суммарного луча по уровню половинной мощности,

а результирующее амплитудно-фазовое распределение в раскрыве фазированной антенной решетки рассчитывают по формуле

A(x) = A₀(х) (1 + a (ехр(ikx sinθ₁) + exp(-ikx sinθ₁))) = A₀(x) (1 + 2а cos (kx sinθ₁)),

где А₀(х) - амплитудно-фазовое распределение в раскрыве, обеспечивающее формирование центрального парциального луча в направлении u₀.

Основными недостатками «Способа формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки», выбранного за прототип, являются:

- расширенная диаграмма направленности формируется всего тремя парциальными лучами, вследствие чего сформированный луч не обладает хорошей энергоэффективностью, поскольку его форма не является прямоугольной, особенно при больших коэффициентах расширения;

- для формирования расширенного луча требуется в раскрыве ФАР изменять как фазовое, так и амплитудное распределения, что ограничивает использование способа только активными ФАР;

- для определения углов направления парциальных лучей требуется решать оптимизационные задачи, что усложняет алгоритм поиска решения.

Задачей изобретения является управление фазовым распределением в раскрыве ФАР для формирования расширенных лучей диаграммы направленности фазированной антенной решетки.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение энергетической эффективности при формировании расширенной диаграммы направленности.

Сущность предлагаемого способа заключается в определении амплитудно-фазового распределения в раскрыве фазированной антенной решетки, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении u₀, формировании расширенной диаграммы направленности парциальными лучами, выборе пространственных положений парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности. Новыми признаками, обеспечивающими достижение заявленного технического эффекта, являются следующие: в фазированной антенной решетке с начальным синфазным распределением, излучатели которой имеют координаты x_i с соответствующей последовательной нумерацией от 1 до М, парциальные лучи формируются тарами соседних излучателей, пронумерованных в той же последовательности от 1 до (М-1). Амплитуды первого F₁ и последнего F_M-1 парциальных лучей образуются соответственно суммой амплитуды сигнала первого излучателя и половинного значения амплитуды второго, и суммой половинного значения амплитуды сигнала предпоследнего излучателя и амплитуды последнего. Амплитуды остальных парциальных лучей образуются суммами половинных значений амплитуд сигналов соответствующих соседних излучателей. Каждому парциальному лучу последовательно, в соответствии с номером парциального луча m выделяется угловой интервал Δu_m в обобщенных координатах u=sin(θ), где θ - угол относительно нормали к раскрыву, в соответствии с выражением:

где:

m - номер парциального луча;

n - текущий номер парциального луча;

ΔU - значение половины ширины расширенного луча по уровню половинной мощности,

F_n - текущая амплитуда парциального луча;

F_m - амплитуда парциального луча,

определяются координаты u_m середины углового интервала, выделяемого каждому парциальному лучу с номером m, в соответствии с выражением:

где

Δu_n - текущий номер углового интервала, в которые направляются соответствующие парциальные лучи, путём добавления к начальной фазе сигнала, проходящего через каждый излучатель, таким образом, что фаза первого излучателя не изменяется, а фазы всех последующих излучателей изменяются одновременно на величину, определяемую выражением:

где:

k = 2π/λ - волновое число;

Δx_i-1⁼(x_i - x_i-1) - расстояние между координатами соседних излучателей с номерами i и (i-1).

На Фиг. 1 приведено разбиение линейной ФАР на парные подрешетки с учетом виртуального расщепления амплитуд, входящих в соседние подрешетки.

На Фиг. 2 представлена операция формирования расширенного луча посредством суперпозиции парциальных лучей, образованных парами соседних излучателей.

На Фиг. 3 показан процесс определения расположения n-ой угловой зоны и ее размеров, который можно наглядно отобразить при использовании соответствующих интегральных функций Р(х) и Ρ(u), выражающих энергетический баланс распределения энергии в раскрыве ФАР с одной стороны и угловом пространстве с другой.

На Фиг. 4 приведено равномерное фазовое распределение и, соответствующая ему, исходная ДН с нерасширенным лучом.

На Фиг. 5 приведено измененное фазовое распределение вдоль раскрыва, формирующее соответствующий расширенный луч.

Формирование расширенного луча фазированной антенной решеткой предлагаемым способом осуществляется следующим образом:

- с учетом заданного амплитудного распределения в раскрыве ФАР рассчитывают уровни парциальных лучей {F_m}, образованных парами соседних излучателей (Фиг. 1). Численно эти уровни равны сумме вкладов амплитуд соседних излучателей, формирующих парциальные лучи;

- задаются значениями половины ширины расширенного луча по уровню половинной мощности ΔU и направлением на центр расширенного луча u₀;

- определяют угловые интервалы {Δu_m}, соответствующие каждому парциальному лучу, используя выражение (1);

- определяют координаты середины каждого углового интервала {u_m}, выделяемому каждому парциальному лучу, используя выражение (2);

- определяют фазовое распределение {Δϕ_m}, формирующее секторный луч, используя выражение (3).

Требуемая форма луча обеспечивается за счет правильного расположения парциальных лучей с учетом их уровня. Энергия, излучаемая каждым m-ым элементом раскрыва, расположенным на интервале Δx_m, должна быть направлена в соответствующую m-ую угловую зону, и именно она должна определять плотность энергии в зоне Δu_n. Процесс определения расположения m-ой угловой зоны и ее размеров можно наглядно отобразить при использовании соответствующих интегральных функций Р(х) и Р(u), выражающих энергетический баланс распределения энергии в раскрыве ФАР с одной стороны и угловом пространстве с другой (Фиг. 3).

Уровень максимумов парциальных ДН F_m(0) определяется видом амплитудного распределения в раскрыве и местоположением пары соответствующих излучателей:

Ширина углового интервала, выделяемого каждому парциальному лучу (Фиг. 3), пропорциональна уровню парциального луча и определяется, выражением

Максимумы парциальных лучей должны быть направлены в центры соответствующих интервалов, поэтому они будут определяться в ыражением, учитывающим начало расширенного луча (u_min=u₀-ΔU) и размеры предыдущих угловых интервалов

Так, в случае эквидистантного расположения элементов, для установки парциальных лучей в направления {u_m} необходимо обеспечить сдвиг фаз на правых излучателях подрешеток на величину

Δφ_m+1 =-kdu_m.

Очевидно, что фазы общих излучателей соседних подрешеток должны быть одинаковы (Фиг. 1). С учетом того, что фазу первого (самого левого) излучателя можно не изменять, искомая фаза излучателя с номером m (m>1) будет определяться формулой, учитывающей сдвиги фаз на предыдущих подрешетках

Полученное фазовое распределение {Δϕ_m} и будет формировать расширенный луч.

Поскольку амплитудная составляющая ДН ФАР не зависит от знака дополнительного фазового распределения в раскрыве, то, такой же расширенный луч будет формировать и фазовое распределение, взятое с противоположным знаком. Поэтому, существуют два фазовых распределения, отличающихся знаками фаз, формирующие один и тот же расширенный луч

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявленный способ имеет следующие отличительные свойства:

- используется большее число парциальных лучей, количество которых равно (М-1), где Μ - число излучателей ФАР, что позволяет обеспечить большую энергоэффективность (прямоугольность) формы расширенного луча;

- для формирования луча необходимо в раскрыве ФАР изменять только фазовое распределение, что позволяет использовать заявленный способ как в активных, так и в пассивных ФАР;

- для определения углов направления парциальных лучей {u_m} не требуется решать оптимизационные задачи.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявленный способ открывает значительные преимущества в использовании фазового синтеза секторных лучей, важнейшими из которых являются:

- возможность на основе известного амплитудного распределения в раскрыве и требуемой формы луча на основе простых алгебраических операций однозначно определять фазовое распределение;

- секторные лучи, полученные с использованием данного метода, обладают высокой энергетической эффективностью;

- рассматриваемый подход исключает необходимость решения оптимизационной задачи по критерию минимума, вместо этого предлагается использовать простые формулы, не требующие сложных вычислений;

- возможность реализации луча с требуемыми коэффициентами расширения непосредственно в ходе работы РЛС.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к способам управления формой диаграммы направленности фазированной антенной решетки. Техническим результатом изобретения является повышение энергетической эффективности при формировании расширенной диаграммы направленности. Технический результат достигается тем, что в способе формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки, основанном на определении амплитудно-фазового распределения в ее раскрыве, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении u₀, формировании расширенной диаграммы направленности парциальными лучами, выборе пространственных положений парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности, в отличие от прототипа в фазированной антенной решетке с начальным синфазным распределением, излучатели которой имеют координаты x_i с соответствующей последовательной нумерацией от 1 до М, парциальные лучи формируются парами соседних излучателей, пронумерованных в той же последовательности от 1 до (М-1), амплитуды первого F₁ и последнего F_M-1 парциальных лучей образуются соответственно суммой амплитуды сигнала первого излучателя и половинного значения амплитуды второго и суммой половинного значения амплитуды сигнала предпоследнего излучателя и амплитуды последнего, амплитуды остальных парциальных лучей образуются суммами половинных значений амплитуд сигналов соответствующих соседних излучателей, каждому парциальному лучу последовательно в соответствии с номером парциального луча m выделяется угловой интервал Δu_m в обобщенных координатах u=sin(θ), где θ - угол относительно нормали к раскрыву, определяются координаты u_m середины углового интервала, выделяемого каждому парциальному лучу с текущим номером m, в которые направляются соответствующие парциальные лучи, путём добавления к начальной фазе сигнала, проходящего через каждый излучатель, таким образом, что фаза первого излучателя не изменяется, а фазы всех последующих излучателей изменяются одновременно на соответствующую величину. 5 ил.

Способ формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки, основанный на определении амплитудно-фазового распределения в ее раскрыве, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении u₀, формировании расширенной диаграммы направленности парциальными лучами, выборе пространственных положений парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности, отличающийся тем, что в фазированной антенной решетке с начальным синфазным распределением, излучатели которой имеют координаты x_i с соответствующей последовательной нумерацией от 1 до М, парциальные лучи формируются парами соседних излучателей, пронумерованных в той же последовательности от 1 до (М-1), амплитуды первого F₁ и последнего F_M-1 парциальных лучей образуются соответственно суммой амплитуды сигнала первого излучателя и половинного значения амплитуды второго и суммой половинного значения амплитуды сигнала предпоследнего излучателя и амплитуды последнего, амплитуды остальных парциальных лучей образуются суммами половинных значений амплитуд сигналов соответствующих соседних излучателей, каждому парциальному лучу последовательно в соответствии с номером парциального луча m выделяется угловой интервал Δu_m в обобщенных координатах u=sin(θ), где θ - угол относительно нормали к раскрыву, в соответствии с выражением

где

m - номер парциального луча;

n - текущий номер парциального луча;

ΔU - значение половины ширины расширенного луча по уровню половинной мощности,

F_n - текущая амплитуда парциального луча;

F_m - амплитуда парциального луча,

определяются координаты u_m середины углового интервала, выделяемого каждому парциальному лучу с текущим номером m, в соответствии с выражением

где Δu_n - текущий номер углового интервала,

в которые направляются соответствующие парциальные лучи, путём добавления к начальной фазе сигнала, проходящего через каждый излучатель, таким образом, что фаза первого излучателя не изменяется, а фазы всех последующих излучателей изменяются одновременно на величину, определяемую выражением

где

k = 2π/λ - волновое число;

Δx_i-1=(x_i - x_i-1) - расстояние между координатами соседних излучателей с номерами i и (i-1).