Способ управления амплитудно-фазовым распределением на раскрыве фазированной антенной решетки

Изобретение относится к антенной технике, а именно к фазированным антенным решеткам (ФАР), прежде всего к крупноапертурным стационарным ФАР, и может быть использовано при создании и эксплуатации радиолокационных станций (РЛС) дальнего обнаружения. Именно в таких РЛС применяются крупноапертурные стационарные ФАР.

Как показано в [1], для обнаружения малоразмерных объектов на больших дальностях (более 1000 км) необходимо выполнение условия

где Р_и - мощность излучения, S_эф - эффективная площадь приемной антенны.

Например, при Р_и=1 МВт эффективная площадь приемной антенны должна быть S_эф≥3⋅10³ м². Антенна с такими размерами имеет пространственную металлоконструкцию большой массы и подвержена влиянию нагрузок и воздействий (постоянные, временные и краткосрочные) [2]. Такое влияние приводит к изменению геометрических параметров антенны (шага решетки, плоскостности апертуры, отклонению координат излучателей Δx_mn,Δy_mn,Δz_mn от их проектных значений где m и n-номера строк и столбцов излучателей соответственно) и, как следствие, к искажению амплитудно-фазового распределения (АФР) на раскрыве деформированной ФАР. Поэтому возникает необходимость компенсации погрешностей АФР на раскрыве крупноапертурной стационарной ФАР, возникающих вследствие деформаций ее раскрыва.

Известен способ управления АФР на раскрыве ФАР, при котором фазовращатели посредством операций «включено-выключено» с дискретом Δϕ устанавливают в фиксированные состояния, ближайшие к заданному состоянию в соответствии с требуемым положением главного максимума диаграммы направленности (ДН) [3]. Недостаток данного способа состоит в том, что на раскрыве ФАР формируется периодическое распределение коррелированных между излучателями погрешностей квантования фазы, что влечет за собой рост боковых лепестков диаграммы направленности (ДН), увеличение погрешности установки главного максимума ДН в заданное положение, снижение коэффициента усиления ФАР.

Для устранения этого недостатка в ряде работ, изложение которых приведено в [4, с. 137-144], был предложен способ управления АФР на раскрыве ФАР, в котором декорреляцию погрешностей квантования фазы на раскрыве ФАР осуществляют путем введения случайного или нелинейного распределения начальной фазы токов возбуждения излучателей с последующей его компенсацией при формировании кодов управления фазовращателями. Нелинейное начальное распределение обычно применяют в ФАР с пространственным возбуждением, применение которого для возбуждения излучателей крупноапертурной ФАР практически невозможно, поэтому в качестве в крупноапертурных ФАР применяется случайное распределение начальной фазы.

Недостаток данного способа состоит в том, что при его технической реализации остается нескомпенсированным производственный разброс характеристик фазовращателей. Также остаются нескомпенсированными искажения ДН ФАР, возникающие при выходах из строя части переключающих элементов фазовращателей. Для устранения этих недостатков предложен способ управления АФР, реализованный в устройствах по авторским свидетельствам [5, 6, 7]. В соответствии с этим способом осуществляют декорреляцию погрешностей квантования фазы на раскрыве ФАР, систематические составляющие погрешностей установки состояний каждого из фазовращателей рассчитывают на основе данных встроенного контроля и учитывают при компенсации начального значения фазы его тока возбуждения, а случайные составляющие погрешностей установки состояний каждого из фазовращателей компенсируют путем осуществления 2^p переключений одновременно всех p-разрядных фазовращателей ФАР в очередные состояния, измерения параметров сигналов, принятых ФАР, и усреднения результатов 2^p измерений.

Недостаток данного способа состоит в том, что при его технической реализации остается нескомпенсированным искажение АФР на раскрыве ФАР при механических повреждениях ее излучателей. Этот недостаток частично устранен в способе управления АФР на раскрыве ФАР по патенту [8]. Данный способ по технической сущности является наиболее близким к предлагаемому способу и выбран в качестве прототипа. В соответствии с прототипом дополнительно к упомянутым выше операциям на основе встроенного контроля определяют координаты неисправных фазовращателей и отключают соответствующие им излучатели ФАР, а также симметричные им излучатели относительно центра раскрыва ФАР. Недостаток способа управления АФР [8] состоит в том, что остаются нескомпенсированными погрешности фазового распределения поля на раскрыве ФАР, вызванные деформацией ее полотна, что приводит к изменению проектных координат mn-го излучателя на раскрыве ФАР, вследствие чего изменяется разность расстояний от излучателей до точки наблюдения в дальней зоне, что эквивалентно появлению дополнительных фазовых погрешностей распределения поля на раскрыве ФАР. Можно показать, что дополнительная фазовая погрешность тока возбуждения mn-го излучателя деформированной ФАР определяется соотношением

где θ₀ и ϕ₀ - углы сферической системы координат, определяющие заданное положение главного максимума диаграммы направленности ФАР.

Появление дополнительных фазовых погрешностей приводит к снижению коэффициента направленного действия ФАР, увеличению погрешностей установки максимума ДН в заданное положение, росту боковых лепестков ДН [9, с. 96-105].

Целью заявляемого изобретения является компенсация погрешностей фазового распределения поля на раскрыве ФАР, вызванных деформацией ее полотна.

Поставленная цель достигается тем, что дополнительно к операциям, выполняемым в соответствии с [8], определяют отклонения координат излучателей Δx_mn,Δy_mn,Δz_mn от их проектных значений на основе геодезических измерений, выполненным посредством электронного тахеометра, который устанавливают внутри периметра геодезической сети из ориентирных пунктов в произвольной точке перед раскрывом ФАР на расстоянии, регламентируемым высотой раскрыва ФАР и пределами измерения вертикальных углов тахеометром, измеряют горизонтальные направления N_i на ориентирные пункты (ОрП) для определения ориентирующего угла α₀ - дирекционного угла нулевого диаметра горизонтального круга тахеометра по способу [9], наводят оптическую трубу тахеометра на излучатели ФАР и регистрируют отсчеты (горизонтального направления N_mn, вертикального угла V_mn, наклонного расстояния L_mn и горизонтального проложения D_mn) с целью определения их фактического положения в условной систем координат (УСК), за начало которой принимается опорный излучатель с координатами x_ои,y_ои,z_ои, по формулам

определяют отклонения координат излучателей от их проектных значений из выражений

На основе полученных отклонений вычисляют дополнительные фазовые погрешности токов возбуждения излучателей по формуле (2), формируют фазовые поправки δϕ_(m,n) по правилу

которые используют при формировании кодов управления p-разрядными фазовращателями. По заявленному способу управления АФР на раскрыве ФАР код управления mn-м фазовращателем формируют в соответствии с соотношением

где Ent{a} - целая часть числа а;

- начальное фазовое распределение, вводимое для декорреляции погрешностей квантования фазы p-разрядным фазовращателем;

δϕ_(m,n) - фазовая поправка, компенсирующая погрешность тока возбуждения mn-го излучателя, вызванную деформацией полотна ФАР, определяемая соотношением (5) с учетом (2); - дискрет управления фазой p-разрядного фазовращателя; - фаза тока возбуждения mn-го излучателя ФАР, требуемая для установки луча ДН в заданное положение θ₀, ϕ₀, которую определяют по формуле

где d_x, d_y - шаг решетки (расстояния между излучателями ФАР) по строкам и столбцам соответственно.

Сравнительный анализ заявленного способа управления АФР на раскрыве ФАР и прототипа показывает, что при реализации прототипа учитывают повреждения полотна ФАР, приводящие к отказам или снижениям характеристик излучателей, при этом не учитывают, что под воздействием внешних факторов происходят деформации полотна ФАР, что приводит к изменению координат излучателей, их взаимному положению, эквивалентному изменению фазы токов возбуждения излучателей и, как следствие, к искажению диаграммы направленности антенны.

Заявленный способ управления АФР поля на раскрыве ФАР в отличие от прототипа позволяет компенсировать дополнительные фазовые погрешности токов возбуждения излучателей, вызванные деформацией раскрыва.

Отличительные признаки заявленного способа являются существенными, так как его техническая реализация наряду с операциями, выполняемыми по прототипу, обеспечивает равномерное АФР на раскрыве ФАР, при котором достигается технический результат, состоящий в обеспечении максимального коэффициента направленного действия антенны, повышении точности установки луча ФАР в заданное положение, снижении уровня боковых лепестков диаграммы направленности.

Сущность изобретения и возможность его технической реализации иллюстрируется фигурами на чертежах: на фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего заявленный способ управления АФР поля на раскрыве ФАР; на фиг.2 приведена схема размещения тахеометра перед раскрывом конструкции ФАР внутри геодезической ориентирной сети.

Приведенный на фиг. 1 вариант технической реализации заявленного способа управления АФР поля на раскрыве ФАР содержит N×M-элементную ФАР 1, N×M p-разрядных фазовращателей 2, N×M выключателей СВЧ 3, СВЧ сумматор-делитель 4, блок согласования 5, N×M устройств управления СВЧ-выключателями, вычислитель фаз 7, блок встроенного контроля 8, цифровое вычислительное устройство 9, тест-антенну 10. Перечисленные узлы с 1-го по 10-й являются общими с прототипом [8]. В отличие от прототипа данное устройство дополнительно содержит вычислитель координат излучателей 11, определитель отклонений координат излучателей 12 деформированной ФАР от их проектных значений, постоянное запоминающее устройство 13 и вычислитель фазовых поправок 14, обеспечивающие техническую реализацию заявленного способа.

В качестве вычислителя координат излучателей 11 применен тахеометр. По результатам измерений в вычислительном блоке тахеометра в соответствии с выражениями (3) проводится расчет фактического положения излучателей ФАР. Рассчитанные значения координат поступают на вход вычислителя отклонений координат излучателей от их проектных значений 12, на второй вход которого с выхода постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 13 поступают проектные значения координат излучателей. Вычисленные в блоке 12 отклонения координат излучателей от их проектных значений поступают на первый вход вычислителя фазовых поправок 14, на второй вход которого от центрального процессора РЛС поступают значения заданного очередного углового положения луча ФАР и длины волны. Одновременно эта информация от центрального процессора РЛС поступает на вход вычислителя фаз 7, в котором по формулам (5) вычисляются требуемые значения фаз токов возбуждения излучателей для установки луча ФАР в заданное положение, в блоке 14 по формуле (7) с учетом формулы (2) вычисляются значения фазовых поправок для каждого излучателя ФАР. Результаты вычислений в блоках 7 и 14 поступают на входы цифрового вычислительного устройства 9, где в соответствии с формулой (6) формируются коды управления фазовращателями ФАР.

Таким образом, введенные в состав устройства управления АФР на раскрыве ФАР блоки 11, 12, 13 и 14 обеспечивают компенсацию дополнительных фазовых погрешностей, вызванных деформацией раскрыва ФАР.

На фиг. 2 изображена схема размещения тахеометра 16 внутри геодезической сети из ориентирных пунктов 17 (ОрП1, ОрП2, ОрП3, ОрП4) на местности перед раскрывом ФАР 15 на расстоянии, регламентируемом высотой раскрыва ФАР и пределами измерения вертикальных углов тахеометром.

Источники информации

1. Курикша А.А., Фатеев В.Ф. Воздушно-космическая оборона, 2006 г., №6, с 34.

2. СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. - Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*; - М., 2011. - 80 с.

3. Авторское свидетельство СССР №138974, H01Q 3/24. Способ электрического управления лучом остронаправленных линейных или поверхностных антенных решеток / Л.Н. Дерюгин. - №66248126; Заявлено 11.04.60. – Опубл. 01.01.1961.

4. Самойленко В.И., Шишов Ю.А. Управление фазированными антенными решетками. - М.: Радио и связь, 1983, 240 с.

5. Авторское свидетельство СССР №1580393, G06F 15/20. Вычислительное устройство для управления лучом плоской антенной решетки / Ю.А. Шишов, А.М. Голик, Ю.А. Клейменов, А.Т. Мухаметшин. - №4628545/24-24; Заявлено 29.12.88. – Опубл. 23.07.90.;

6. Авторское свидетельство СССР №1599794. Устройство управления ферритовым фазовращателем / Ю.А. Шишов, А.М. Голик, Ю.А. Клейменов, А.Т. Мухаметшин. - №4390295/24-21; Заявлено 18.01.88. – Опубл. 15.01.90.

7. Авторское свидетельство СССР №1774282. Устройство управления ферритовым фазовращателем / А.М. Голик, Ю.А. Клейменов, М.А. Барботько, С.Н. Зотов. - №4935269/09; Заявлено 02.05.91. – Опубл. 07.11.92.

8. Патент РФ №2109376, H01Q 3/26. Способ управления амплитудно-фазовым распределением на раскрыве фазированной антенной решетки / А.М. Голик, В.К. Павлов, В.А. Кондрашин, С.Ю. Кожин, Ю.А. Клейменов, Э.Л. Бондарь. - №96115832/09; Заявлено 31.07.1996. – Опубл. 20.04.1998.

9. Авторское свидетельство СССР №949338. Способ определения угла разворота лимба угломерного прибора / Козлов Н.А. - №2750651. Заявлено 09.04.1979. – Опубл. 07.08.1982.

10. Шифрин Я.С. Вопросы статистической теории антенн. - М.: Сов. радио, 1970, 384 с.

11. Шишов Ю.А., Голик A.M., Клейменов Ю.А. Адаптация управления ФАР по результатам встроенного контроля / Зарубежная радиоэлектроника, 1990, №9, с 69-89.