Способ формирования двух приемо-передающих 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 а 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 двух приемо-передающих диаграмм направленности в антенне кругового электронного сканирования (АКЭС) является «Способ формирования круговой зоны электронного сканирования цилиндрической антенны» (патент 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 одновременного формирования двух независимых приемо-передающих диаграмм направленности.

Задачей предлагаемого способа является достижение возможности одновременного формирования двух независимых приемо-передающих диаграмм направленности (ДН).

Техническим результатом является обеспечение попарной соосности формируемых приемо-передающих ДН в круговом секторе электронного сканирования.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что способ формирования двух приемо-передающих 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 суммарная ДН антенны кругового электронного сканирования.

Новым в заявляемом способе формирования приемо-передающих диаграмм направленности антенны кругового электронного сканирования является то, что на передачу выделяют для любых направлений ϕ₀₁ и ϕ₀₂ угловые сектора так, чтобы между ними было К линеек пассивных излучателей, где К≥1, выбирают для каждого углового сектора N₁ и N₂ активных линеек излучателей соответственно, при этом определяют фазовые сдвиги Δψ_i1 для N₁ активных линеек излучателей и Δψ_i2 для N₂ активных линеек излучателей для формирования первой и второй диаграммы направленности на передачу, формируют на передачу два разнесенных в пространстве луча и излучают в направлениях ϕ₀₁ и ϕ₀₂ СВЧ-сигнал. На прием: принимаемый каждой линейкой активных излучателей СВЧ-сигнал расщепляют на два одинаковых по модулю и фазе сигнала - первый и второй , определяют фазовые сдвиги Δψ_i1 для N₁ активных линеек излучателей и Δψ_i2 для N₂ активных линеек излучателей, обеспечивают сложение сигналов и обнуление сигналов для формирования первой приемной ДН в N₁ линейках активных излучателей и обеспечивают обнуление сигналов и сложение сигналов для формирования второй приемной диаграммы направленности в N₂ линейках активных излучателей, изменяя фазы суммируемых сигналов на определенные выше фазовые сдвиги Δψ_i1 и Δψ_i2, при этом направления излучаемых и принимаемых лучей попарно совпадают.

На фиг. 1 изображен пример формирования групп из N₁ и N₂ активных линеек излучателей, где введены следующие обозначения:

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

ϕ_н1 и ϕ_к1 - границы первого выбранного углового сектора, в котором располагаются линейки излучателей, которые могут быть использованы для формирования первой приемо-передающей ДН;

ϕ₀₁ - направление оси первой приемо-передающей ДН;

ϕ₁₁, ϕ₂₁, ϕ₃₁, …, ϕ_N1 - угловые положения N₁ активных линеек излучателей;

ϕ_н2 и ϕ_к2 - границы второго выбранного углового сектора, в котором располагаются линейки излучателей, которые могут быть использованы для формирования второй приемо-передающей ДН;

ϕ₀₂ - направление оси второй приемо-передающей ДН;

ϕ₁₂, ϕ₂₂, ϕ₃₂, …, ϕ_N2 - угловые положения N₂ активных линеек излучателей.

На фиг. 2 изображен пример формирования приемо-передающих ДН, при этом передающие ДН формируются при подаче СВЧ-сигнала на вход антенны, а приемные ДН формируются на выходе 1 и выходе 2.

Антенна кругового электронного сканирования, реализующая предлагаемый способ, состоит из активных 1 и пассивных 2 линеек излучателей (фиг. 1), размещенных на цилиндрической поверхности АКЭС эквидистантно, устройств включения режимов передачи или приема 3, устройств разделения 4 принятого каждой линейкой излучателей СВЧ-сигнала на два одинаковых по модулю и фазе и , электронных устройств включения и управления фазой и амплитудой СВЧ-сигнала 5, размещенных в каждом СВЧ-канале антенны кругового электронного сканирования, устройства распределения входного СВЧ-сигнала 6 и двух устройств сложения принятых СВЧ-сигналов 7 и 8, причем устройство 7 складывает СВЧ-сигналы , а устройство 8 складывает СВЧ-сигналы , при этом первая приемная ДН формируется на выходе устройства 7, а вторая приемная ДН формируется на выходе устройства 8.

Формирование приемо-передающих ДН в антенне кругового электронного сканирования по предлагаемому способу осуществляется следующим образом:

1. Для любых заданных направлений луча ϕ₀₁ и ϕ₀₂ определяют размеры угловых секторов, в которых располагаются линейки излучателей, которые могут быть использованы для формирования требуемых первой и второй ДН, причем между первым и вторым угловыми секторами должно быть К линеек пассивных излучателей, где К≥1, и выбирают N₁ и N₂ активных линеек излучателей, при этом N₁ и N₂ могут быть как равными, так и неравными.

2. Определяют фазовые сдвиги Δψ_i1 для N₁ активных линеек излучателей и Δψ_i2 для N₂ активных линеек излучателей в соответствии с математическим выражением (1) для формирования первой и второй ДН на передачу.

3. Формируют на передачу два разнесенных в пространстве луча и излучают в направлениях ϕ₀₁ и ϕ₀₂ СВЧ-сигнал, а по завершению СВЧ-сигнала выключают устройства, обеспечивающие режим передачи.

4. Включают устройства, обеспечивающие режим приема, и разделяют принятый каждой из N₁ и N₂ линеек излучателей СВЧ-сигнал на два одинаковых по модулю и фазе СВЧ-сигнала - первый () и второй ().

5. Определяют фазовые сдвиги Δψ_i1 для N₁ активных линеек излучателей и Δψ_i2 для N₂ активных линеек излучателей в соответствии с математическим выражением (1) для формирования первой и второй ДН на прием.

6. Обеспечивают сложение N₁ сигналов и обнуление N₁ сигналов для формирования первой приемной ДН и обеспечивают обнуление N₂ сигналов и сложение N₂ сигналов для формирования второй приемной ДН, одновременно изменяя фазы суммируемых СВЧ-сигналов на определенные по п. 5 фазовые сдвиги Δψ_i1 и Δψ_i2, тем самым обеспечивают формирование первой и второй приемных ДН. При этом использование одних и тех же N₁ активных линеек излучателей для формирования первой передающей и приемной ДН и N₂ активных линеек излучателей для формирования второй передающей и приемной ДН обеспечивает попарную соосность передающих и приемных ДН.

7. Формируют круговую зону формирования двух приемо-передающих ДН в АКЭС, последовательно или в произвольном порядке изменяя заданные направления приемо-передающих ДН, для каждой пары значений которых необходимо выполнить операции 1÷6.

В результате перечисленных действий обеспечивается формирование двух независимых попарно соосных приемо-передающих ДН в АКЭС, т.е. совпадение по направлению оси передающей и приемной ДН для каждого направления излучения.

Кроме того, при реализации заявляемого способа дополнительно достигается в произвольном порядке перемещение двух независимых приемо-передающих ДН в круговой зоне электронного сканирования.