Способ формирования круговой зоны электронного сканирования цилиндрической фазированной антенной решетки с увеличенным темпом обзора

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях.

В настоящее время большое распространение получают РЛС с фазированной антенной решеткой (ФАР), которые позволяют осуществлять быстрый обзор пространства (малое время, затрачиваемое на обнаружение, захват и сопровождение целей), адаптацию к конкретной радиообстановке, обеспечение электромагнитной совместимости и т.д. Из РЛС с фазированной антенной решеткой особый интерес вызывают цилиндрическая и кольцевая (кольцевая - частный случай цилиндрических решеток) фазированная антенная решетка. Цилиндрическая фазированная антенная решетка обеспечивает возможность широкоугольного (до 360°) сканирования лучом неизменной ширины и формы в азимутальной плоскости (Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов, B.C. Филиппов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др. под ред. Д.И. Воскресенского 2-е изд. М. Радио и связь, 1994, стр. 126) в отличие от плоских, в которых предельные значения угла сканирования составляют величины порядка 60-70° (Справочник по радиолокации, редактор М. Сколник пер. с английского, изд. «Советское Радио» МЛ 977 т. 2, стр. 135.). Кроме того, плоская фазированная антенная решетка обладает зависимостью характеристик измерения азимутальных угловых координат от частоты и от положения луча в пространстве (Антенны с электрическим сканированием, О.Г. Вендик, М.Д. Парнес под ред. Л.Д. Бахраха. - Москва: Сайнс-Пресс, 2002, c 154-155). Характеристики измерения азимутальных угловых координат в цилиндрической фазированной антенной решетке мало зависят от частоты и от положения луча в пространстве. Это вызвано в том числе и тем, что в цилиндрической фазированной антенной решетке слабая по сравнению с плоскими взаимная связь между излучателями (Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов, B.C. Филиппов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др. под ред. Д.И. Воскресенского 2-е изд. М. Радио и связь, 1994, стр. 126).

Цилиндрическая фазированная антенная решетка представляет собой систему излучателей, расположенных по окружности. Пространственная ориентация излучателей такова, что направление максимума диаграммы направленности каждого из них совпадает с направлением радиуса соответствующей антенной решетки в месте расположения излучателя. Под излучателем следует понимать, как одиночный излучатель, так и систему из нескольких излучателей (Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов, B.C. Филиппов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др. под ред. Д.И. Воскресенского 2-е изд. М. Радио и связь, 1994, стр. 126).

Известен способ формирования круговой зоны электронного сканирования цилиндрической фазированной антенной решетки (пат. №2619445, МПК H01Q 21/00_, опубликовано 15.05.2017), взятый за отдаленный аналог заявляемого изобретения, основанный 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, причем 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

Данный способ формирования круговой зоны электронного сканирования цилиндрической фазированной антенной решетки позволяет управлять в азимутальной плоскости цилиндрической ФАР относительным (к максимуму ДН) уровнем максимальных боковых лепестков.

Однако данный способ имеет низкий темп обзора (большое время, затрачиваемое на обнаружение, захват и сопровождение целей). Низкий темп обзора вызван тем, что данная цилиндрическая фазированная антенная решетка имеет только один луч, формируемый излучателями, расположенными в ограниченном секторе;

Другим способом формирования круговой зоны электронного сканирования цилиндрической фазированной антенной решетки, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является способ формирования круговой зоны электронного сканирования цилиндрической фазированной антенной решеткой, основанный на размещении на ее поверхности излучателей, объединенных по образующей цилиндра в эквидистантно расположенные линейки излучателей, формирующие одинаковые диаграммы направленности, объединенные в (разделенные на) несколько секторов, образующие общую многолепестковую диаграмму направленности, состоящую из одинаковых секторных диаграмм направленности, число которых равно числу секторов. Сканирование осуществляется одновременным согласованным перемещением всех секторных диаграмм направленности. (Радиолокационная станция с цифровой осесимметричной активной антенной решеткой как перспективное направление развития радиолокационных станций кругового обзора, М.В. Инденбом, Р.П. Махлин, Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антеи» №3, 2017 г.).

Данный способ имеет высокую скорость обзора пространства.

Однако данный способ имеет следующие недостатки:

- использование этого способа приводит к высокому уровню боковых лепестков в азимутальной плоскости цилиндрической ФАР (относительно максимума ДН).

- необходимость в малой ширине главного лепестка при высокой скорости обзора пространства приводит к увеличению размеров и усложнению ФАР. Ширина главного лепестка определяется размером сектора, т.е. количеством секторов, так как число главных лепестков равно числу секторов. Уменьшение ширины главного лепестка ведет к увеличению размеров сектора, и как следствие к уменьшению числа секторов. Уменьшение числа секторов соответственно приводит к уменьшению скорости обзора пространства. Уменьшения ширины главных лепестков секторных диаграмм направленности без уменьшения скорости обзора пространства можно получить увеличением общего количества излучателей цилиндрической ФАР, что неизбежно приводит к увеличению размеров и усложнению ФАР.

Технический результат предлагаемого изобретения - уменьшение ширины главных лепестков секторных диаграмм направленности без снижения скорости обзора пространства, без усложнения ФАР и при сохранении ее размеров.

Указанный технический результат достигается тем, что в радиолокационной станции с цилиндрической фазированной антенной решеткой с размещенными эквидистантно на ее поверхности излучателями, объединенными в (разделенные на) несколько секторов, причем смежные сектора работают на разных частотах, образующие общую многолепестковую диаграмму направленности, состоящую из одинаковых секторных диаграмм направленности, число которых равно числу секторов, сканирование в цилиндрической фазированной антенной решетке осуществляется одновременным согласованным перемещением всех секторных диаграмм направленности, причем внутри каждого углового сектора присутствуют пассивные для данного сектора излучатели (линейки излучателей), являющиеся активными для соседних секторов, а внутри соседних секторов присутствуют активные для данного сектора излучатели (линейки излучателей), являющиеся пассивными для соседних секторов

В предложенном способе имеются существенные отличия от рассмотренных выше способов.

В способе, взятом за аналог заявляемого изобретения (пат. №2619445, МПК H01Q 21/00_, опубликовано 15.05.2017) круговую зону формируют путем электронного сканирования одним лучом, величина выделенного сектора (количество линеек излучателей) не является фиксированной величиной и может меняться, значительная часть излучателей фазированной антенной решетки, в том числе и входящих в выбранный сектор являются пассивными, то есть к ним не подводится сигнал.

В предложенном способе цилиндрическая фазированная антенная решетка с размещенными эквидистантно на ее поверхности излучателями, объединенными по образующей цилиндра в эквидистантно расположенные линейки излучателей, разделена на несколько секторов, работающие каждый на своей частоте, образующие общую многолепестковую диаграмму направленности, состоящую из одинаковых секторных диаграмм направленности, число которых равно числу секторов, сканирование в цилиндрической фазированной антенной решетке осуществляется одновременным согласованным перемещением всех секторных диаграмм направленности, следовательно, круговую зону формируют путем электронного сканирования нескольких (а не одной) секторных диаграмм направленности, при этом размеры каждого сектора фиксированы. При работе антенной решетки (пат. №2619445, МПК H01Q 21/00_, опубликовано 15.05.2017) часть излучателей фазированной антенной решетки, в том числе и входящих в выбранный сектор, являются пассивными, и к ним не подводится сигнал. В предложенном способе ко всем излучателям фазированной антенной решетки подводится сигнал, все излучатели фазированной антенной решетки являются активными.

В способе, выбранном в качестве прототипа (Радиолокационная станция с цифровой осесимметричной активной антенной решеткой как перспективное направление развития радиолокационных станций кругового обзора, М.В. Инденбом, Р.П. Махлин, Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антей» №3, 2017 г.) цилиндрическая фазированная антенной решеткой разделена на несколько секторов, образующих общую многолепестковую диаграмму направленности, состоящую из одинаковых секторных диаграмм направленности, число которых равно числу секторов, сканирование в цилиндрической фазированной антенной решетке осуществляется одновременным согласованным перемещением всех секторных диаграмм направленности, что и обеспечивает высокий темп обзора, при этом уровень боковых лепестков диаграммы направленности и ширина главного лепестка диаграммы направленности определяются количеством излучателей (размером апертуры) и амплитудным распределением в секторе антенной решетки с фиксированным числом излучателей. Прямое применение способа уменьшения уровня боковых лепестков, предложенного в изобретении (пат. №2619445, МПК H01Q 21/00_, опубликовано 15.05.2017), приводит к снижению уровня боковых лепестков. Однако при этом происходит:

- расширение главного лепестка секторной диаграммы направленности;

- уменьшение потенциала антенной решетки (из-за появления пассивных излучателей и, следовательно, за счет уменьшения излучаемой мощности) и соответственно либо к уменьшению дальности обнаружения цели, либо к увеличению времени обзора.

Для уменьшения ширины главного лепестка секторной диаграммы направленности необходимо увеличить апертуру (увеличение числа излучателей) и соответственно, что неизбежно вызывает увеличение размеров всей цилиндрической фазированной антенной решетки, увеличить количество аппаратуры (приемо-передающих модулей) и т.д.

В предложенном способе размеры апертуры каждого сектора больше, чем размеры каждого сектора в антенной решетке, выбранной за прототип за счет использовании части апертуры соседних секторов. Это позволяет уменьшить уровень боковых лепестков (в том числе и по сравнению со способом уменьшения уровня боковых лепестков, предложенного в изобретении (пат. №2619445, МПК H01Q 21/00., опубликовано 15.05.2017), уменьшить ширину главного лепестка диаграммы направленности, при сохранении размеров всей цилиндрической фазированной антенной решетки и без увеличения аппаратуры.

Таким образом, в рассмотренных способах формирования круговой зоны электронного сканирования цилиндрической фазированной антенной решетки либо получается низкий темп обзора при малом уровне боковых лепестков и узком главном лепестке диаграммы направленности (пат. №2619445, МПК H01Q 21/00., опубликовано 15.05.2017), либо высокий темп обзора при высоком уровне боковых лепестков и широком главном лепестке диаграммы направленности при фиксированных размерах антенной решетки, то есть не могут обеспечить высокий темп обзора при малом уровне боковых лепестков и узком главном лепестке диаграммы направленности при фиксированных размерах антенной решетки,

Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемых к нему графических материалов.

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

На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:

1 - активные излучатели, расположенные внутри углового сектора 1;

2 - излучатели, расположенные внутри углового сектора 1, являющиеся пассивными для сектора 1, и являющиеся активными для сектора 4;

3 - излучатели, расположенные внутри углового сектора 1, являющиеся пассивными для сектора 1, и являющиеся активными для сектора 2;

4 - излучатели, геометрически расположенные в секторе 4 являющиеся активными для сектора 1, и являющиеся пассивными для сектора 4;

5 - излучатели, геометрически расположенные в секторе 2 являющиеся активными для сектора 1, и являющиеся пассивными для сектора 2.

На фиг. 2 показаны:

6 - диаграмма направленности цилиндрической фазированной антенной решетки реализующей способ, выбранный в качестве прототипа;

7 - диаграмма направленности цилиндрической фазированной антенной решетки, реализующей заявленный способ;

8 - диаграмма направленности цилиндрической фазированной антенной решетки, реализующей способ, выбранный в качестве прототипа с использованием способа уменьшения уровня боковых лепестков, предложенного в изобретении (пат. №2619445, МПК H01Q 21/00., опубликовано 15.05.2017).

На фиг. 3 показаны:

9 - фрагмент диаграммы направленности цилиндрической фазированной антенной решетки, реализующей заявленный способ;

10 - фрагмент диаграммы направленности цилиндрической фазированной антенной решетки реализующей способ, выбранный в качестве прототипа;

11 - фрагмент диаграммы направленности реализующей способ, выбранный в качестве прототипа с использованием способа уменьшения уровня боковых лепестков, предложенного в изобретении (пат. №2619445, МПК H01Q 21/00., опубликовано 15.05.2017).

Поясним принцип работы заявленной цилиндрической фазированной антенной решетки.

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

Для формирования общей многолепестковой диаграммы направленности, состоящей из одинаковых секторных диаграмм направленности вся ФАР делится на сектора (сектора 1, 2, 3, 4). Сектора ограничены сплошными линиями (см. Фиг. 1).

В качестве примера рассмотрим сектор 1.

Снижение уровня боковых лепестков и уменьшение ширины главного лепестка секторной диаграммы направленности сектора 1 производится за счет исключения из состава активных излучателей антенной решетки сектора 1 (см. Фиг. 1) части «краевых» излучателей, геометрически расположенных внутри данного сектора (см. Фиг. 1), излучатели 2 смежные сектору 4 являются при этом пассивными для сектора 1 (активными для сектора 4), излучатели 3 смежные сектору 2 являются пассивными для сектора 1 (активными для сектора 2).

Уменьшения ширины главного лепестка секторной диаграммы направленности происходит за счет расширения апертуры антенной решетки сектора 1. Расширение апертуры антенной решетки сектора 1 достигается использованием части излучателей, геометрически расположенных (входящих) в соседних секторах (см. Фиг. 1, излучатели 4 геометрически расположенные (входящие) в секторе 4, излучатели 5 геометрически расположенные (входящие) в секторе 2). В этом случае излучатели 4, 5, геометрически выходящие за пределы сектора 1 (геометрически расположенные в секторах 4, 5) являются активными излучателями сектора 1.

Получившаяся апертура сектора выделена пунктирной линией. Размеры апертуры сектора больше, чем 360/К, где К - кол-во секторов.

Кроме того, за счет использования излучателей 4, 5 происходит дополнительное уменьшение уровня боковых лепестков секторной диаграммы направленности.

Фазовые сдвиги для всех излучателей сектора определяются, исходя из фазового фронта, необходимого для построения заданной диаграммы направленности сектора (секторов).

Снижение уровня боковых лепестков и уменьшение ширины главного лепестка секторной диаграммы направленности происходит во всех секторах цилиндрической фазированной антенной решетки.

Смежные сектора работают на разных частотах, либо при небольшом количестве секторов или при использовании широкого диапазона частот каждый из секторов работает на своей частоте.

Как видно из приведенных секторных диаграмм направленности уровень боковых лепестков уменьшился на 4,8 дБ (с 10,6 дБ до 15,4 дБ) (см. Фиг. 2 диаграммы направленности 6, 7). Применение способа уменьшения уровня боковых лепестков, предложенного в изобретении (пат. №2619445, МПК H01Q 21/00_, опубликовано 15.05.2017), приводит к уменьшению уровня боковых лепестков на 3,9 дБ (с 10,6 дБ до 14,5 дБ) (см. Фиг. 2 диаграммы направленности 8, 6).

При этом ширина главного лепестка диаграммы направленности заявляемой антенной решетки по уровню 3 дБ составляет 3,6 град. (см. Фиг. 3 диаграмма направленности 9). Ширина главного лепестка диаграммы направленности антенной решетки прототипа составляет 4,0 град. (см. Фиг. 3 диаграмма направленности 10), ширина главного лепестка диаграммы направленности антенной решетки прототипа с применением способа уменьшения уровня боковых лепестков, предложенного в изобретении (пат. №2619445, МПК H01Q 21/00., опубликовано 15.05.2017) составляет 4,4 град) (см. Фиг. 3 диаграмма направленности 11),

Величина уменьшения уровня боковых лепестков и снижения ширины главного лепестка диаграммы направленности зависит от количества излучателей в секторе, т.е. от количества секторов и от размеров всей цилиндрической фазированной антенной решетки.

Число исключенных из состава антенной решетки сектора части «краевых» излучателей, расположенных внутри данного сектора, как правило, равно числу излучателей, геометрически расположенных (входящих) в соседних секторах. Это позволяет сформировать одинаковые диаграммы направленности, имеющие уменьшенный уровень боковых лепестков и малую ширину главных лепестков секторных диаграмм направленности для всех секторов заявленной цилиндрической фазированной антенной решетки.

Использование активной фазированной антенной решетки (АФАР) позволяет наиболее простым способом обеспечить получить высокий темп обзора пространства за счет использования многолепестковой диаграммы направленности. Кроме того, при использовании активной фазированной антенной решетки (АФАР) получается максимальная эффективная поверхность многолучевой ФАР (Радиолокационная станция с цифровой осесимметричной активной антенной решеткой как перспективное направление развития радиолокационных станций кругового обзора, М.В. Инденбом, Р.П. Махлин, Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антей» №3, 2017 г.).

Использование данного изобретения позволяет создать РЛС с цилиндрической фазированной антенной решеткой, имеющей малый уровень боковых лепестков, малую ширину главных лепестков секторных диаграмм направленности без снижения скорости обзора пространства, без усложнения ФАР и при сохранении ее размеров.