Результат интеллектуальной деятельности: Способ формирования передающей и приемной ДН в антенне кругового электронного сканирования

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антенной технике, и может быть использовано в прицельных радиолокационных станциях.

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, равный 2α. 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.

Известен также способ, описанный в Главе 2.7 Цилиндрические и кольцевые ФАР с электрическим сканированием луча («Проектирование фазированных антенных решеток» под редакцией д.т.н., проф. Д.И. Воскресенского, издательство «Радиотехника», Москва 2012 г., стр. 247-265), основанный на размещении на цилиндрической поверхности антенны излучателей, объединенных по образующей цилиндра в эквидистантно расположенные линейки излучателей, формирующие одинаковые диаграммы направленности, разделении цилиндрической поверхности антенны на несколько фиксированных одинаковых сегментов числом не менее четырех, каждый из которых возбуждается отдельным СВЧ-распределителем, и излучении плоского поля путем электронного управления вносимым фазовым сдвигом СВЧ-сигналов, проходящих через излучатели.

Недостатками этого способа являются:

- ограниченность мгновенного сектора сканирования величиной ±(45÷60)° вследствие разбиения всей апертуры антенны на отдельные фиксированные сегменты, зоны электронного сканирования которых в совокупности охватывают круговую зону;

- необходимость использования механических либо электрических коммутаторов для подключения других сегментов;

- изменение характеристик излучения антенны при сканировании в каждом парциальном секторе.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу формирования передающей и приемной диаграмм направленности в антенне кругового электронного сканирования (АКЭС) является «Способ формирования круговой зоны электронного сканирования цилиндрической антенны» (RU 2619445 С1, опубл. 15.05.2017 г., МПК H01Q 21/00), основанный на размещении на цилиндрической поверхности антенны излучателей, объединенных по образующей цилиндра в эквидистантно расположенные линейки излучателей, формирующие одинаковые диаграммы направленности, определении размеров углового сектора расположения линеек излучателей, выделении при любом направлении луча внутри этого углового сектора N активных линеек излучателей, подводя к ним СВЧ-сигнал посредством электронного включения, и излучении плоского поля путем электронного управления, вносимым фазовым сдвигом СВЧ-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;

λ - длина волны в среде распространения излученного поля;

R - радиус цилиндра;

ϕ₀ - направление луча антенны в азимутальной плоскости;

ϕ_i - угловое направление оси ДН i-той активной линейки излучателей в азимутальной плоскости;

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

Недостатком прототипа является невозможность формирования передающей и приемной диаграмм направленности с равной шириной луча.

Задачей предлагаемого способа является достижение возможности формирования передающей и приемной диаграмм направленности (ДН) с одинаковой шириной луча.

Техническим результатом является достижение возможности совпадения в пространстве, формируемых приемной и передающей ДН в антенне кругового электронного сканирования.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что способ формирования передающей и приемной ДН в антенне кругового электронного сканирования основан на размещении на цилиндрической поверхности антенны излучателей, объединенных по образующей цилиндра в эквидистантно расположенные линейки излучателей, формирующие одинаковые диаграммы направленности, определении размеров углового сектора расположения линеек излучателей для любого направления луча антенны, выделении внутри этого углового сектора N активных линеек излучателей, подводя к ним СВЧ-сигнал посредством электронного включения, и излучении плоского поля путем электронного управления вносимым фазовым сдвигом СВЧ-сигналов, проходящих через излучатели, на величину:

где: i - номера активных линеек излучателей;

λ - длина волны в среде распространения излученного поля;

R - радиус цилиндра;

ϕ₀ - направление луча антенны в азимутальной плоскости;

ϕ_i - угловое направление оси ДН i-той активной линейки излучателей в азимутальной плоскости;

ψ_i - начальная фаза СВЧ-сигнала, подводимого к i-той активной линейке излучателей; в результате чего формируется передающая ДН антенны кругового электронного сканирования.

Новым в заявляемом способе формирования передающей и приемной диаграмм направленности в антенне кругового электронного сканирования является то, что определяют ширину луча передающей ДН при постоянном амплитудном распределении и запоминают ее, выбирают для формирования приемной ДН с заданным уровнем максимального бокового лепестка спадающее амплитудное распределение, которому соответствует более широкая ДН, симметрично и последовательно увеличивают сектор активных линеек излучателей на величину К (К=1, 2, …) так, чтобы при общем числе активных на прием линеек излучателей M=N+2К ширина луча приемной ДН была равна ширине луча передающей ДН, запоминают полученные значения числа М и амплитуд A_j для каждой j-й активной линейки излучателей (j=1÷М), затем посредством электронного включения устанавливают в каждом из М излучателей запомненное значение A_j и фазу Δψ_j, определяемую выражением:

где ψ_j - фазовая длина пути СВЧ-сигнала от выхода j-й приемной линейки излучателей до места формирования приемной ДН антенны (входа/выхода антенны) и производят сложение М сигналов для формирования приемной ДН.

На фиг. 1 изображен пример формирования группы из N активных линеек излучателей, работающих на передачу, и М активных линеек излучателей, работающих на прием, где введены следующие обозначения:

R - радиус цилиндрической поверхности, на которой размещены линейки излучателей АКЭС;

ϕ_н и ϕ_к - границы выбранного углового сектора, в котором располагаются линейки излучателей, которые могут быть использованы для формирования передающей и приемной ДН;

ϕ₀ - направление оси передающей и приемной ДН;

ϕ_1i, ϕ_2i, ϕ_3i, …, ϕ_N - угловые положения N активных линеек излучателей;

ϕ_1j, …, ϕ_М - угловые положения М активных линеек излучателей.

На фиг. 2 изображен пример формирования передающей и приемной ДН с равными ширинами луча, при этом передающая ДН формируется при подаче СВЧ-сигнала на вход антенны, а приемная ДН формируется на выходе антенны.

Антенна кругового электронного сканирования, реализующая предлагаемый способ, для любого выбранного направления излучения состоит из активных 1 линеек излучателей, работающих на передачу и прием, активных 2 линеек излучателей, работающих только на прием, и пассивных 3 линеек излучателей (фиг. 1), размещенных на цилиндрической поверхности АКЭС эквидистантно, устройств включения режимов передачи или приема 4, электронных устройств включения и управления фазой и амплитудой СВЧ-сигнала 5, размещенных в каждом СВЧ-канале антенны кругового электронного сканирования, причем устройство 5 «↑» обслуживает передающий канал активной линейки излучателей, а устройство 5 «↓» обслуживает приемный канал этой же линейки, устройства распределения входного СВЧ-сигнала и сложения принятых СВЧ-сигналов 6.

Формирование передающей и приемной ДН в антенне кругового электронного сканирования по предлагаемому способу осуществляется следующим образом:

1. Для любого заданного направления луча ϕ₀ определяют размер углового сектора, в котором располагаются линейки излучателей, которые могут быть использованы для формирования передающей и приемной ДН.

2. Определяют фазовые сдвиги Δψ_i для N активных линеек излучателей, работающих на передачу, в соответствии с математическим выражением (1) для формирования ДН на передачу.

3. Формируют ДН на передачу и излучают СВЧ-сигнал в направлении ϕ₀, измеряют ширину ДН на передачу и запоминают полученное значение, по завершению СВЧ-сигнала выключают устройства, обеспечивающие режим передачи.

4. Включают устройства, обеспечивающие режим приема.

5. Выбирают для формировании приемной ДН с заданным уровнем бокового лепестка спадающее амплитудное распределение и симметрично и последовательно увеличивают сектор активных линеек излучателей на величину К=1, 2, …, где К - целое число, так, чтобы ширина луча приемной ДН была равна ширине луча передающей ДН и запоминают полученное значение числа М и амплитуд A_j для каждой активной линейки излучателей j=1…М.

6. Определяют фазовые сдвиги Δψ_j для М активных линеек излучателей в соответствии с математическим выражением (1) для формирования ДН на прием.

7. Обеспечивают сложение М сигналов A_j для формирования приемной ДН, одновременно изменяя фазы суммируемых СВЧ-сигналов на определенные по п. 6 фазовые сдвиги Δψ_j. При этом использование N активных линеек излучателей для формирования передающей ДН и M=N+2K активных линеек излучателей для формирования приемной ДН производят совпадение в пространстве осей передающей и приемной ДН.

8. Формируют круговую зону формирования передающей и приемной ДН в АКЭС, последовательно или в произвольном порядке изменяя заданные направления луча, для каждого значения которого необходимо выполнить операции 1÷7.

В результате перечисленных действий обеспечивается формирование в АКЭС передающей и приемной ДН с равной шириной луча для каждого направления излучения.

Кроме того, при реализации заявляемого способа достигается совпадение в пространстве передающей и приемной ДН в круговой зоне электронного сканирования.