Способ формирования круговой зоны электронного сканирования цилиндрической фазированной антенной решетки

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антенной технике, и может быть использовано в составе радиолокационных станций. Известен «Способ формирования зоны обзора пространства в радиолокационной станции с электронным управлением лучом» (RU 2379801 С1 опубл. 20.01.2010 г., МПК H01Q 21/00).

Способ основан на изменении фазового распределения в апертуре антенны радиолокационной станции путем электронного управления фазовым сдвигом СВЧ сигнала в каждом излучателе антенны. Для достижения возможности расширения зоны обзора РЛС за пределы сектора сканирования антенну радиолокационной станции устанавливают на поворотное устройство таким образом, что нормаль к апертуре антенны образует с осью вращения поворотного устройства угол α>0°, и осуществляют вращение антенны вокруг его оси на угол β, изменяющийся в пределах от 0 до 360° так, что нормаль к апертуре антенны описывает конус с углом при вершине, равным 2^α. Производят изменение фазового распределения в апертуре антенны с учетом величины угла α и изменения положения поворотного устройства относительно первоначального угла β, формируют зону электронного сканирования, а, суммируя зоны обзора, полученные при вращении антенны на поворотном устройстве и при ее электронном сканировании, образуют полную зону обзора радиолокационной станции.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу формирования круговой зоны электронного сканирования цилиндрической фазированной антенной решетки (ФАР) является способ, описанный в Главе 2.7 «Цилиндрические и кольцевые ФАР с электрическим сканированием луча» («Проектирование фазированных антенных решеток» под редакцией докт. техн. наук, проф. Д.И. Воскресенского, издательство «Радиотехника», Москва, 2012 г., стр. 247-265).

Недостатками прототипа являются:

- необходимость участия в формировании ДН всех линеек излучателей, расположенных внутри углового сектора цилиндрической поверхности;

- отсутствие возможности изменения уровней боковых лепестков цилиндрической ФАР в азимутальной плоскости при сканировании.

Задачей предлагаемого способа является достижение возможности формирования круговой зоны электронного сканирования цилиндрической ФАР с управлением характеристиками излучения в азимутальной плоскости.

Техническим результатом является возможность управления в азимутальной плоскости цилиндрической ФАР относительным (к максимуму ДН) уровнем максимальных боковых лепестков.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что способ формирования круговой зоны электронного сканирования цилиндрической фазированной антенной решетки, основан на размещении на ее поверхности излучателей, объединенных по образующей цилиндра в эквидистантно расположенные линейки излучателей, формирующие одинаковые диаграммы направленности, определении размеров углового сектора расположения линеек излучателей, излучении плоского поля путем электронного управления фазовым сдвигом сигналов, проходящих через излучатели.

Новым в заявляемом способе формирования круговой зоны электронного сканирования фазированной антенной решетки является то, что при любом направлении луча выделяют внутри углового сектора активные линейки излучателей, подводя к ним сигнал посредством электронного включения, а для синфазного сложения излученных полей в направлении луча антенны изменяют фазы сигналов, подводимых к активным линейкам излучателей, на величины

где:

i - номера активных линеек излучателей (i>0);

λ - длина волны в среде распространения излученного поля;

R - радиус цилиндра;

ϕ₀ - направление луча антенны в азимутальной плоскости;

ϕ_i - угловое положение i-ой активной линейки излучателей в азимутальной плоскости;

ψ_i - начальная фаза сигнала, подводимого к i-ой активной линейке излучателей.

На фиг. 1 изображен пример цилиндрической ФАР, реализующей предлагаемый способ.

На фиг. 2 изображен пример формирования группы активных линеек излучателей, где введены следующие обозначения. R - радиус цилиндра. N₁ и N₂ - направления, ограничивающие сектор расположения активных линеек излучателей, ϕ₀ - направление луча. ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ_i - угловые положения 1-ой, 2-ой, 3-ой, i-ой активных линеек излучателей в азимутальной плоскости, L - плоскость, ортогональная направлению луча.

На фиг. 3 показан пример формирования ДН с пониженным уровнем максимальных боковых лепестков, в котором активные линейки излучателей расположены симметрично внутри углового сектора, где:

а) - соответствует цилиндрической ФАР, состоящей из 111 линеек излучателей, расположенных на поверхности цилиндра с радиусом 8 длин волн;

б) - соответствует фрагменту двух ДН цилиндрической ФАР. Штриховой линией показана ДН, сформированная в случае, когда все линейки внутри сектора являются активными, сплошной линией показана ДН, сформированная группой активных линеек излучателей, показанной на фиг. 3а, у которой относительный уровень максимальных боковых лепестков понижен на ≈6 дБ.

Цилиндрическая ФАР, реализующая предлагаемый способ, состоит из активных линеек излучателей 1 и пассивных линеек излучателей 2, совместно образующих цилиндрическую поверхность, устройства разводки сигнала 3 по входам всех линеек излучателей, электронных устройств включения и управления фазой сигнала 4 на входах линеек излучателей (фиг. 1).

Формирование круговой зоны электронного сканирования цилиндрической ФАР, у которой все линейки излучателей на цилиндрической поверхности расположены эквидистантно, по предлагаемому способу осуществляется следующим образом:

1. Для любого заданного направления луча ϕ₀ определяют угловой сектор N₁-N₂ (фиг. 2), охватывающий направление луча ϕ₀ (фиг. 2), внутри которого располагаются линейки излучателей. При подключении сигнала ко всем линейкам, расположенным внутри выбранного углового сектора, формируется исходная ДН, для которой исходный относительный уровень максимальных лепестков ДН определяется количеством линеек излучателей и амплитудным распределением в линейках, расположенных внутри выбранного углового сектора.

2. При необходимости понижения относительного уровня максимальных лепестков ДН в азимутальной плоскости определяют последовательность расположения активных и пассивных линеек излучателей, входящих в выбранный по п. 1 угловой сектор. Выбор числа активных линеек излучателей и их расположение внутри углового сектора определяют предварительно, при условии, что все активные линейки излучателей формируют одинаковые диаграммы направленности.

3. Определяют фазовые сдвиги Δψ_i для активных линеек излучателей в соответствии с математическим выражением (1), состоящим из двух слагаемых. Первое слагаемое в выражении (1) определяется из условия, компенсации разности хода до плоскости L (фиг. 2), ортогональной выбранному направлению. Второе слагаемое ψ_i учитывает различие в начальных значениях фаз сигналов, подводимых к линейкам излучателей.

4. Обеспечивают подключение активных линеек излучателей и реализуют сдвиги фаз сигналов. В процессе работы цилиндрической ФАР, при любом заданном направлении луча с помощью соответствующих электронных устройств включения и управления фазой сигнала (фиг. 1) и посредством электронного включения, подводят сигнал к активным линейкам излучателей (фиг. 1). Также обеспечивают для сигналов, проходящих через эти линейки, заранее определенные фазовые сдвиги, обеспечивающие синфазное сложение полей в дальней зоне антенны (фиг. 2).

5. Формируют круговую зону электронного сканирования ФАР, последовательно или в произвольном порядке изменяя заданное направление луча ϕ₀ (фиг. 2), для каждого значения которого необходимо выполнить предыдущие операции.

В результате перечисленных действий обеспечивается формирование круговой зоны электронного сканирования ФАР в азимутальной плоскости, а также возможность управления относительным (к максимуму ДН) уровнем максимальных боковых лепестков при любом направлении луча.

Тем самым решается сформулированная в заявляемом способе задача и достигается заявленный технический результат.

Кроме того, при реализации заявляемого способа дополнительно достигаются следующие возможности:

- практически безынерционное и в произвольном порядке перемещение луча антенны в круговой зоне;

- возможность при сканировании в круговой зоне формировать как неизменные характеристики излучения, так и индивидуальные для каждого направления луча.