Способ формирования диаграммы направленности передающей активной антенной решетки и осесимметричная активная фазированная антенная решетка на его основе

Предлагаемое изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в передающих активных антенных решетках в радиолокации и радиосвязи.

Известны конические и цилиндрические передающие активные фазированные антенные решетки (АФАР), с несколькими (S) главными лепестками ДН, ориентированными под различными углами азимута ϕ_s=ϕ₀+2πs/S (s=1, 2,…, S), содержащие излучатели, расположенные на образующих конической или цилиндрической поверхности с постоянным угловым шагом по направляющей окружности [1]. При этом формирование многолепестковой ДН передающей АФАР осуществляется путем разделения антенной решетки на S условных подрешеток, каждая из которых занимает сектор поверхности АФАР ϕ_s-π/S≤ϕ<ϕ_s+π/S. Сканирование осуществляется путем изменения фазового распределения каждой подрешетки в зависимости от углов сканирования: азимутального ϕ₀ и угла места θ₀, с помощью управляемых фазовращателей, установленных в каждом передающем модуле АФАР (θ, ϕ - углы сферической системы координат с полярной осью, совпадающей с осью симметрии антенной решетки). Такой способ формирования ДН передающей АФАР не позволяет реализовать максимально возможное значение потенциала АФАР (равного произведению коэффициента направленного действия (КНД) АФАР на излучаемую мощность [2]), поскольку каждая из подрешеток ориентирована на формирование своего главного лепестка, независимо от остальных главных лепестков ДН. А именно потенциал определяет плотность потока мощности в дальней зоне и, следовательно, дальность действия радиосистемы.

Известны способы формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решетки [3, 4], основанные на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, и последующем их суммировании, при котором комплексные весовые коэффициенты находят как главный вектор пучка эрмитовых форм, соответствующий наибольшему характеристическому числу пучка, причем в качестве первой эрмитовой формы пучка выбирают квадрат модуля взвешенной суммы значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков, в качестве второй эрмитовой формы выбирают среднее значение диаграммы направленности по мощности, а при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют информацию о направлениях ориентации основных лепестков диаграммы направленности и их относительном уровне, а в способе [3] и фазе. Принятые излучателями сигналы взвешивают с помощью комплексных взвешивающих устройств, регулирующих амплитуду и фазу сигналов, после чего суммируют.

В силу взаимности, указанные способы могут использоваться и для формирования много лепестковой ДН в режиме передачи. В этом случае амплитуды возбуждения излучателей должны выбираться равными весовым коэффициентам суммирования сигналов в соответствии с [3] или [4].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по п. 1 формулы является способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решетки [3].

Прототипом предлагаемой осесимметричной передающей АФАР по п. 2 формулы, реализующей предлагаемый способ формирования многолепестковых диаграмм направленности, является передающая АФАР [1].

Недостатком известного способа в случае его использования для формирования ДН передающей АФАР с произвольно ориентированными излучающими элементами является то, что он не обеспечивает наибольший потенциал. Известный способ приводит к оптимальному решению по обобщенному КНД (для однолепестковой ДН - к максимальному КНД) и к неравномерному амплитудному распределению коэффициентов возбуждения излучателей. Особенностью передающих АФАР является ограничение на выходную мощность одного передающего модуля: она не может превышать некоторого предельного значения, определяемого устройством (конструкцией) выходного усилителя мощности. Например, при использовании в модулях транзисторных усилителей выходная мощность ограничивается возможностями использованного выходного транзистора. Поэтому неравномерное амплитудное распределение, оптимальное по известному способу, может быть реализовано только за счет снижения выходной мощности части модулей. Это приводит к снижению общей мощности излучения и, следовательно, потенциала АФАР. Возможность выбора более мощных транзисторов, в свою очередь, может ограничиваться текущим уровнем развития данного вида техники. Кроме того, для реализации неравномерного распределения необходимо использовать транзисторы в линейном режиме (А), что имеет следствием пониженный коэффициент полезного действия (КПД) по сравнению с режимом насыщения (С). Кроме того, управление выходной мощностью модулей в процессе сканирования требует специального программного и аппаратного обеспечения, усложняющего конструкцию и программное обеспечение АФАР.

Предлагаемый способ формирования многолепестковых диаграмм направленности передающих АФАР направлен на устранение указанных недостатков известного способа.

Техническим результатом заявленного изобретения является достижение наибольшего потенциала активной антенной решетки.

Технический результат достигается за счет того, что в способе формирования многолепестковой диаграммы направленности передающей активной антенной решетки выходную мощность всех усилителей мощности, подключенных к входам излучателей, устанавливают одинаковой, а фазу падающей волны на входе каждого излучателя, с помощью соединенных с усилителем фазовращателей, устанавливают равной отрицательному значению фазы взвешенной суммы значений парциальной диаграммы этого излучателя, определенной относительно общей для всех излучателей точки отсчета фазы, в требуемых направлениях максимумов диаграммы направленности антенной решетки с произвольными одинаковыми для всех излучателей весовыми коэффициентами.

Кроме того, осесимметричная передающая активная фазированная антенная решетка, содержащая излучатели, расположенные на осесимметричной поверхности вдоль ее образующих с постоянным угловым шагом по направляющей окружности, отличается тем, что выходную мощность всех усилителей мощности, подключенных к входам излучателей, устанавливают одинаковой, а фазу падающей волны на входе каждого излучателя, с помощью соединенных с усилителем фазовращателей, устанавливают равной отрицательному значению фазы взвешенной суммы значений парциальной диаграммы этого излучателя, определенной относительно общей для всех излучателей точки отсчета фазы, в требуемых направлениях максимумов диаграммы направленности антенной решетки с произвольными одинаковыми для всех излучателей весовыми коэффициентами, при этом углы направления максимумов диаграммы направленности антенной решетки выбраны равномерно расположенными по углу вращения вокруг оси антенны, а весовые коэффициенты равны между собой.

Сущность предлагаемого способа формирования многолепестковой ДН передающей активной антенной решетки заключается в том, что, в отличие от прототипа, выходную мощность всех усилителей мощности, подключенных к входам излучателей антенной решетки, устанавливают одинаковой, а фазу падающей волны на входе каждого излучателя с помощью соединенных с усилителем фазовращателей устанавливают равной отрицательному значению фазы взвешенной суммы значений парциальной диаграммы излучателя (определенной относительно общей для всех излучателей точки отсчета фазы) в требуемых направлениях максимумов диаграммы направленности антенной решетки с произвольными одинаковыми для всех излучателей весовыми коэффициентами. Такие коэффициенты возбуждения элементов обеспечивают максимальный потенциал активной антенной решетки.

Чтобы показать это, рассмотрим выражение для потенциала активной антенной решетки [5]:

где a_n - комплексная амплитуда падающей волны на входе n-го излучателя, ƒ_n(θ, ϕ) - парциальная диаграмма n-го излучателя относительно общего для всех излучателей центра отсчета фазы, θ₀, ϕ₀ - углы направления (в рассматриваемом случае - максимума ДН антенной решетки), N - число элементов решетки.

В случае нескольких максимумов ДН антенной решетки используем обобщенный потенциал

где θ_s, ϕ_s - углы направлений максимумов ДН антенной решетки, a ρ_s - весовые коэффициенты, в общем случае комплексные.

Поскольку выходная мощность модуля ограничена его техническими возможностями, максимум (2) следует искать при условии ограничения мощности каждого отдельного модуля. Поскольку амплитуды падающих волн всегда можно нормировать на максимальное значение, то можно считать, что |a_n|≤1. В этом случае

Равенство левой и правой частей (3) достигается при

где ^* - знак комплексного сопряжения.

Формула (4) дает комплексные амплитуды падающих волн на входах излучателей, обеспечивающие максимальное значение обобщенного потенциала, и соответствует приведенному выше словесному описанию. Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить максимальный потенциал активной антенной решетки.

Весовые коэффициенты могут выбираться произвольно разработчиком для регулировки значений амплитуды и фазы ДН в максимумах. Для осесимметричной антенной решетки, излучатели которой расположены на образующих поверхности тела вращения, расположенных с постоянным угловым шагом вокруг оси вращения, при осесимметричном расположении направлений главных максимумов и равных весовых коэффициентах значения ДН и потенциала в максимумах будут одинаковыми.

Предлагаемый способ характеризуется постоянными (равными по модулю) амплитудами падающих волн на входах излучателей, т.е. равными мощностями на выходе всех выходных усилителей мощности активной антенной решетки, что позволяет использовать их в режиме насыщения (С) и за счет этого повысить КПД антенной решетки. Равная амплитуда падающих волн на входах излучателей позволяет отказаться от каких-либо устройств регулировки и управления амплитудой в модулях антенной решетки, что упрощает ее построение и снижает стоимость.

Сущность предлагаемой по п. 2 формулы осесимметричной передающей активной фазированной антенной решетки, содержащей излучатели, расположенные на осесимметричной поверхности вдоль ее образующих с постоянным угловым шагом по направляющей окружности, заключается в том, что амплитуда и фаза падающих волн на входе излучателей устанавливается на основе способа по п. 1 формулы, углы направления максимумов диаграммы направленности антенной решетки (в формуле (4)) выбраны равномерно расположенными по углу вращения вокруг оси антенны, т.е. ϕ_s=ϕ₀+2πs/S, а весовые коэффициенты ρ_s равны между собой, например ρ_s=1.

Так как распределение падающих волн (4) обеспечивает максимальное значение потенциала АФАР, то оно при любом числе главных лепестков ДН S превышает потенциал АФАР прототипа [1]. Число главных лепестков произвольно S=1, 2, 3,….

Структурная схема предлагаемой осесимметричной передающей АФАР представлена на фиг. 1а. На фиг. 1б раскрыта схема модуля АФАР.

На фиг. 2 и 3 представлены трех- и четырехлепестковая ДН осесимметричной цилиндрической антенной решетки, сформированные на основе предлагаемого способа.

Предлагаемое устройство содержит N излучателей 1, расположенных на осесимметричной поверхности (цилиндр, конус, сфера и т.д.) вдоль ее образующих с постоянным угловым шагом по направляющей окружности. Излучатели 1 соединены с модулями 2, соединенными с задающим генератором 3 через делитель мощности 4. Модуль 2 в простейшем случае содержит усилитель мощности 5, соединенный с фазовращателем 6. В этом случае частота сигнала задающего генератора совпадает с несущей частотой излучаемого сигнала АФАР. В общем случае задающий генератор может генерировать опорное напряжение более низкой частоты. В этом случае в состав модуля должны входить устройства, повышающие частоту сигнала до несущей частоты. В состав модуля могут также входить и другие устройства формирования сигнала: фильтры, вентили, модуляторы и т.п. В частном случае осесимметричная антенная решетка может состоять из одного кольца излучателей 1.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Сигнал задающего генератора 3 через делитель 4 поступает на вход каждого из N модулей 3, получает фазовый сдвиг в фазовращателях 6 в соответствии с формулой (4) при ϕ_s=ϕ₀+2πs/S и равных между собой ρ_s, например ρ_s=1, усиливается в усилителях 5 до требуемого одинакового для всех модулей уровня, поступает на входы излучателей 1 и излучается в пространство. В результате управления амплитудой и фазой сигнала в соответствии с формулой (4), соответствующей п. 1 формулы изобретения, сформированная в пространстве диаграмма направленности буде иметь S главных лепестков, ориентированных в направлениях ϕ_s и потенциал АФАР будет максимально возможным.

Представленные на фиг. 2 и 3 ДН рассчитаны для осесимметричной антенной решетки бесконечно длинных узких щелей в проводящей цилиндрической поверхности, питаемых плоскопараллельными волноводами через четырехполюсники, осуществляющие согласование в синфазном режиме работы антенны. Число излучателей N=120; расстояние между излучателями 0,5λ. Парциальная ДН щели, питаемой плоскопараллельным волноводом, рассчитана по соотношениям [6], а ее изменение при возбуждении через согласующие цепочки - согласно [5]. Число главных лепестков S=3 для фиг. 2 и S=4 для фиг. 3, ϕ₀=0. Из графиков на фиг. 2, 3 следует осуществимость предлагаемого способа и осесимметричной антенной решетки на ее основе в части формирования многолепестковой ДН. Повышение потенциала по сравнению с прототипами способа [3] и устройства [1] следует из результатов расчета, приведенных в таблице 1 для одного, двух, трех и четырех лепестков ДН при мощности одного модуля, равной 1.

Повышение потенциала позволяет увеличить дальность действия радиосистемы, например, радиолокатора. Поскольку амплитуда падающих волн на входах излучателей по предлагаемому способу одинакова, управление амплитудой в антенной решетке не требуется. Выходная мощность усилителей мощности в модулях одинакова, они могут работать в режиме насыщения, за счет чего достигается наиболее высокий КПД.

Предлагаемые способ и устройство могут быть использованы также в передающей активной антенной решетке, входящей в состав приемо-передающей антенной решетки, в которой сигналы приема и передачи разделяются на входе излучателей с помощью переключателей прием-передача или ферритовых циркуляторов.

Источники информации

1. Patent ЕР 3 092 508 B1. Bistatic Radar / F. Madia // Priority: 09.01.2014 IT RM 20140005. Date of publication: 16.11.2016 Bulletin 2016/46.

2. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: уч. пособие для вузов / Под ред. Д.И. Воскресенского. - М: Радиотехника, 2012. - 744 с.

3. Патент РФ №2302061. Способ формирования многолепесковых диаграмм направленности антенной решетки / П.Н. Мануилов, Б.Д. Мануилов, П.Н. Башлы, Ю.Д. Безуглов // 2007, БИ №18, опубл. 26.07.07.

4. Патент РФ №2249890. Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решетки / Б.Д. Мануилов, П.Н. Башлы, Ю.Д. Безуглов, А.А. Кузнецов // 2005, БИ №10, опубл. 10.04.05.

5. Инденбом М.В. Антенные решетки подвижных обзорных РЛС. Теория, расчет, конструкции / М.: Радиотехника, 2015.

6. Borgiotti G.V., Balzano Q. Mutual coupling analysis of a confomal array of elements on cylindrical surface / IEEE Trans, on AP, vol. AP-18, no. 1, Jan. 1970, pp. 55-63.