Способ управления шириной расширенных лучей фазированной антенной решетки Российский патент 2023 года по МПК H01Q3/26 

Предлагаемое изобретение относится к антенной технике, в частности к способам управления диаграммой направленности фазированных антенных решеток.

Известен «Способ формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки» RU 644456 С1 опубл. 12.02.2018 МПК H01Q 3/26. Он основан на определении амплитудно-фазового распределения в ее раскрыве, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении выборе пространственных положений парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности. Формирование расширенной диаграммы направленности осуществляют 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 Значение угла выбирают из решения оптимизационной задачи по критерию минимума

где

- соответственно диаграммы направленности центрального парциального и двух боковых парциальных лучей;

- направление максимума формируемой диаграммы направленности и центрального парциального луча в обобщенных координатах;

- смещение боковых парциальных лучей относительно максимума формируемой диаграммы направленности в обобщенных координатах;

а - амплитуды отклоненных боковых парциальных лучей;

- 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

где

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

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

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

Основными недостатками «Способа формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки», 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.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является «Способ формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки» RU 2742287 С1 опубл. 04.02.2021, МПК H01Q 3/26. Он основан 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 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 в обобщенных координатах где - 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 середины углового интервала, выделяемого каждому парциальному лучу с текущим номером т, в соответствии с выражением

где - текущий номер углового интервала, в которые направляются соответствующие парциальные лучи, путем 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

- волновое число;

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

Недостатком «Способа формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки» является отсутствие возможности оперативного управления шириной расширенных лучей фазированной антенной решетки.

Техническим результатом предлагаемого способа является уменьшение времени обзора заданного сектора пространства за счет расширения диаграммы направленности антенны с сохранением энергетической эффективности формируемой диаграммы направленности.

Сущность предлагаемого способа управления шириной расширенных лучей фазированной антенной решетки основана 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, с заданным начальным синфазным распределением 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 в обобщенных координатах где θ - угол относительно нормали к раскрыву, в соответствии с выражением:

где:

m - номер парциального луча;

m - 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 середины углового интервала, выделяемого каждому парциальному лучу с текущим номером т, в соответствии с выражением:

где - текущий номер углового интервала, в которые направляются соответствующие парциальные лучи, путем 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:

- волновое число;

- расстояние между координатами соседних излучателей с номерами i и (i - 1),

Новым признаком, обеспечивающим достижение заданного технического результата, является расположение парциальных лучей в направлениях соответствующих требуемому изменению ширины диаграммы направленности путем перестройки начального фазового распределения расширенного луча в соответствии с выражением

где:

- фазовое распределение однократно расширенного луча,

- коэффициент расширения,

- фаза i-го излучателя, измененного в β раз.

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 Р(u), выражающих энергетический баланс распределения энергии в раскрыве ФАР с одной стороны и угловом пространстве с другой.

На Фиг. 4 приведены измененные фазовые распределения вдоль раскрыва (а), формирующие соответствующие расширенные лучи (б). Управление шириной расширенного луча проводилось с одинаковыми коэффициентами β=2, поэтому лучи ДН по суммарному каналу расширены в 3, 6, 12, 24 раза по переменной

Управление шириной расширенного луча фазированной антенной решеткой предлагается осуществлять следующим образом:

- с учетом заданного амплитудного распределения в раскрыве ФАР рассчитывают уровни парциальных лучей 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 A U и направлением на центр расширенного луча

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

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

- определяют фазовое распределение 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 должна быть направлена в соответствующую m-ую угловую зону, и именно она должна определять плотность энергии в зоне 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 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 выражением, учитывающим начало расширенного луча и размеры предыдущих угловых интервалов

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

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 (первичное) 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

Посредством умножения первичного фазового распределения на коэффициент Р достигается дальнейшее управление шириной расширенного луча. Эта операция соответствует перемещению парциальных лучей в направления согласно требуемому изменению ширины диаграммы направленности.

Использование: изобретение относится к антенной технике, в частности к способам управления диаграммой направленности фазированных антенных решеток. Сущность: способ управления шириной расширенных лучей фазированной антенной решетки основан на определении амплитудно-фазового распределения в ее раскрыве, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении формировании расширенной диаграммы направленности парциальными лучами, выборе пространственных положений парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности, с заданным начальным синфазным распределением в фазированной антенной решетке с начальным синфазным распределением. Для уменьшения времени обзора заданного сектора пространства за счет расширения диаграммы направленности антенны с сохранением энергетической эффективности формируемой диаграммы направленности парциальные лучи располагаются в направлениях соответствующих требуемому изменению ширины диаграммы направленности путем перестройки начального фазового распределения расширенного луча в соответствии с выражением где: - фазовое распределение однократно расширенного луча, - коэффициент расширения, - фаза i-го излучателя, измененного в β раз. Технический результат: уменьшение времени обзора заданного сектора пространства за счет расширения диаграммы направленности антенны с сохранением энергетической эффективности формируемой диаграммы направленности. 4 ил.

Способ управления шириной 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, с заданным начальным синфазным распределением 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, путем 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),

отличающийся тем, что парциальные лучи располагаются в направлениях {βu_am}, соответствующих требуемому изменению ширины диаграммы направленности путем перестройки начального фазового распределения расширенного луча в соответствии с выражением

где:

φ_am - фазовое распределение однократно расширенного луча;

β - коэффициент расширения;

Δφ_βi - фаза i-го излучателя, измененного в β раз.