Способ построения системы диаграммообразования активной фазированной антенной решётки
METHOD OF CONSTRUCTING A BEAM-FORMING SYSTEM FOR AN ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антенной технике, а именно, к способам построения системы диаграммообразования активных фазированных антенных решеток (АФАР) для систем связи, радиолокации и т.д.
Известен способ построения системы диаграммообразования АФАР [1 - стр. 113, рис. 6.2, Активные фазированные антенные решетки /под ред. Д.И. Воскресенского, А.И. Канащенкова. М.: Радиотехника. 2004 г. - 488 с.], при котором принятый каждым антенным элементом сигнал усиливается и делится на число частей каналов, равное числу формируемых диаграмм. В канале каждой диаграммы устанавливаются управляемые фазовращатель и аттенюатор, с помощью которых для каждой формируемой диаграммы направленности (ДН) устанавливается оптимальный весовой коэффициент. Далее сигналы каналов, соответствующих каждой ДН, суммируются с помощью сумматоров.
Недостатком известного способа является значительное увеличение объема аппаратуры АФАР при увеличении числа формируемых лучей, поскольку для каждого луча требуется использование отдельного фазовращателя, аттенюатора и сумматора.
Известен способ построения системы диаграммообразования АФАР [2 - стр. 30-31, рис. 2.6, Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев. 2000 г. - 420 с.], при котором принимают и запоминают отсчеты принимаемых сигналов от приемопередающих модулей в процессоре формирования ДН, вычисляют и хранят весовые коэффициенты, формируют однолучевую или многолучевую диаграмму направленности путем весового суммирования комплексных входных сигналов.
Недостатками известного способа являются:
- использование единственного процессора формирования ДН, поскольку в многоэлементных ФАР может насчитываться до нескольких тысяч элементов, то реализация параллельного ввода и суммирования в процессоре формирования ДН такого большого числа сигналов потребует чрезмерных аппаратных затрат при высоком быстродействии. Кроме того, использование единственного процессора ДН значительно усложнит конструкцию изделия, поскольку необходимо большое число кабельных соединений свести в один процессор формирования ДН;
- низкая надежность реализации системы диаграммообразования, так как отказ одного процессора приводит к отказу всей АФАР.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ построения системы диаграммообразования АФАР [1 - стр. 118, рис. 6.6], взятый за прототип, заключающийся в том, что принятый каждым антенным элементом сигнал усиливают, преобразуют по частоте, фильтруют в полосовом фильтре и с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) превращают в цифровую последовательность. Формируют ДН путем, соответствующих одним и тем же моментам квантования.
К недостатками прототипа следует отнести:
- использование единственного процессора формирования ДН, поскольку в многоэлементных ФАР может насчитываться до нескольких тысяч элементов, то реализация параллельного ввода и суммирования в процессоре формирования ДН такого большого числа сигналов потребует чрезмерных аппаратных затрат при высоком быстродействии. Кроме того, использование единственного процессора формирования ДН значительно усложнит конструкцию изделия, поскольку необходимо большое число кабельных соединений свести в один процессор формирования ДН;
- низкая надежность реализации системы диаграммообразования, так как отказ одного процессора приводит к отказу всей АФАР.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение требований к процессорам формирования ДН при формировании многолучевой диаграммы направленности.
Для решения указанной задачи предлагается способ построения системы диаграммообразования АФАР, при котором принятый каждым антенным элементом сигнал усиливают, фильтруют в полосовом фильтре и выполняют его дискретизацию с помощью аналого-цифрового преобразования. Формируют ДН путем весового суммирования последовательностей отсчетов входных сигналов, соответствующих одним и тем же моментам квантования.
L
Согласно изобретению, формируют антенное полотно из М N-канальных приемопередающих модулей, объединенных в подрешетки по L приемопередающих модулей, при этом в случае выполнения приемной части в виде супергетеродинного радиоприемника выполняют преобразование частоты входного сигнала, формируют последовательность отсчетов парциальных диаграмм направленности первого уровня во встроенных в приемопередающие модули процессорах формирования ДН первого уровня, формируют парциальные диаграммы направленности второго уровня в процессорах формирования ДН второго уровня путем весового суммирования последовательностей отсчетов с выходов процессоров формирования ДН первого уровня из состава подрешетки, формируют результирующие диаграммы направленности в процессорах формирования ДН последнего уровня, используя не более L последовательностей отсчетов парциальных диаграмм с выходов процессоров формирования ДН предыдущего уровня, при этом используют количество уровней формирования диаграммы направленности, равное целой части выражения k=log(M-l)+2, для М>2, а для передачи последовательностей отсчетов диаграмм направленности между процессорами формирования ДН используют линии связи с последовательной передачей данных.
Техническим результатом предлагаемого способа является снижение требований к процессорам формирования ДН системы диаграммообразования за счет параллельного выполнения вычислительных операций.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:
- в прототипе используется один процессор формирования ДН, на вход которого подаются последовательности отсчеты сигналов со всех приемопередающих модулей (ППМ), при этом процессор должен иметь М входов, на которые поступают отсчеты с частотой, равной тактовой частоте АЦП. В то время как в предлагаемом способе используется многоуровневая система диаграммообразования, на каждом уровне которой в модулей формирования ДН формируются парциальные ДН из L потоков цифровых отсчетов;
- в прототипе за счет использования единственного процессора его отказ приводит к отказу системы диаграммообразования, что приводит к низкой надежности АФАР. В то время как в предлагаемом способе используются параллельное включение процессоров, что обеспечивает более высокую надежность устройства, поскольку выход из строя одного из процессоров приводит только к частичной потере работоспособности системы диаграммообразования, что приводит только к искажению формы ДН;
- в прототипе ППМ равноценны при формировании ДН, в то время как в предлагаемом способе используются объединение ППМ в подрешетки.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа построения системы диаграммообразования активной фазированной антенной решетки из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, обеспечивающего реализацию предложенного способа в случае выполнения приемных частей каналов ППМ в виде супергетеродинных радиоприемников.
На фиг. 2 приведена структурная схема устройства, обеспечивающего реализацию предложенного способа в случае выполнения приемных частей каналов ППМ в виде радиоприемников прямого усиления.
На фиг. 3 приведена структурная схема процессора формирования ДН 5 первого уровня.
На фиг. 4 приведена структурная схема процессора формирования ДН 8 второго и следующих уровней.
На фиг. 5 приведена структурная схема радиоприемного устройства 3 в случае его реализации по су пер гетеродинной схеме.
На фиг. 6 приведена структурная схема радиоприемного устройства 3 в случае его реализации по схеме радиоприемника прямого усиления.
При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий:
- формируют антенное полотно из M N-канальных приемопередающих модулей, объединенных в подрешетки по L приемопередающих модулей - 1;
- принятый каждым антенным элементом сигнал усиливают, фильтруют в полосовом фильтре и выполняют его дискретизацию с помощью аналого-цифрового преобразования, при этом в случае выполнения приемной части канала приемопередающего модуля в виде супергетеродинного радиоприемника выполняют преобразование частоты входного сигнала - 2;
- формируют последовательность отсчетов парциальных диаграмм направленности первого уровня во встроенных в приемопередающие модули процессорах формирования ДН первого уровня путем весового суммирования последовательности отсчетов N входных сигналов, соответствующих одним и тем же моментам квантования - 3,
- формируют парциальные диаграммы направленности второго уровня в процессорах формирования ДН второго уровня путем весового суммирования последовательностей отсчетов с выходов процессоров формирования ДН первого уровня из состава подрешетки - 4;
L
- формируют результирующие диаграммы направленности в процессорах формирования ДН последнего уровня, используя не более L последовательностей отсчетов парциальных диаграмм с выходов процессоров формирования ДН предыдущего уровня, при этом используют количество уровней формирования диаграммы направленности, равное целой части выражения k=log(М -1)+2, для М>2, - 5;
- используют для передачи последовательностей отсчетов диаграмм направленности между процессорами формирования ДН линии связи с последовательной передачей данных - 6.
Реализация предложенного способа построения системы диаграммообразования в случае выполнения приемных частей каналов ППМ по супергетеродинной схеме возможна, например, с помощью устройства, включающего в себя (фиг. 1) М ППМ 1, объединенных в подрешетки по L ППМ 1, каждый ППМ включает в себя N последовательно соединенных антенных элементов (АЭ) 2, радиоприемных устройств (РПУ) 3 и аналого-цифровых преобразователей(АЦП) 4, выходы которых подключены ко входам процессора формирования ДН (ПФДН) 5 первого уровня, выход которого является выходом данных ППМ 1. Вход первого делителя мощности (ДМ) 6 является тактовым входом ППМ 1, а выходы первого ДМ 6 подключены к тактовым входам АЦП 4 (на рис. 1 не показаны). Вход второго делителя мощности (ДМ) 7 является гетеродинным входом ППМ 1, а выходы второго ДМ 7 подключены к гетеродинным входам РПУ 3 (на рис. 1 не показаны).
L
1
1
Выходы данных ППМ 1, входящих в подрешетку, соединяются со входами ПФДН 8 второго уровня, в свою очередь, выходы ПФДН 8 второго уровня соединяются со входами ПФДН 8 следующего уровня. На фиг. 1 приведен пример устройства с тремя уровнями. Количество уровней зависит от числа ППМ и определяется как k=log(M-l)+2. Выход ПФДН 8k-го уровня является выходом устройства. Число подрешеток L должно быть не более количества L входов ПФДН 8, т.е. (L≤L).
Гетеродинные выходы системы формирования и распределения сигналов (СФРС) 9 соединены с гетеродинными входами ППМ 1, тактовые выходы СФРС 9 соединены с тактовыми входами ППМ 1.
Реализация предложенного способа построения системы диаграммообразования в случае реализации приемных частей каналов ППМ по схеме радиоприемника прямого усиления возможна, например, с помощью устройства, структурная схема которого приведена на фиг. 2. Схема на фиг. 2 отличается от схемы на фиг. 1 отсутствием в составе ППМ 1 вторых ДМ 7 и отсутствием выходов гетеродинных сигналов в СФРС 9.
ПФДН 5 первого уровня (фиг. 3) содержит К формирователей 10 по числу формируемых лучей, каждый из которых содержит N каналов, при этом каждый вход ПФДН 5 разветвляется на К по числу формирователей 10. Каждый канал формирователя 10 содержит перемножитель 11, первый вход которого является входом канала, ко второму входу подключен выход постоянного запоминающего устройства ПЗУ 12, а выход перемножителя 11 является выходом канала и подключен к одному из N входов цифрового сумматора 13, выход которого подключен к одному из К входов интерфейса И 14. Выход интерфейсам 14 является выходом ПФДН 5.
ПФДН 8 второго или следующего уровней (фиг. 4) отличается от ПФДН 5 первого уровня числом каналов в формирователях 10. ПФДН 8 второго или следующего уровней содержит К формирователей 10 по числу формируемых лучей, каждый из которых содержит L каналов. При этом каждый вход ПФДН 8 разветвляется на К по числу формирователей 10. Каждый канал формирователя 10 содержит перемножитель 11, первый вход которого является входом канала, ко второму входу подключен выход постоянного запоминающего устройства ПЗУ 12, а выход перемножителя 11 является выходом канала и подключен к одному из L входов цифрового сумматора 13, выход которого подключен к одному из К входов интерфейса И 14. Выход интерфейса И 14 является выходом ПФДН 8 второго или следующего уровней.
РПУ 3 (фиг. 5) при его реализации по супергетеродинной схеме содержит последовательно соединенные полосовой фильтр (ПФ) 15, вход которого является входом РПУ 3, малошумящий усилитель (МШУ) 16, смеситель (СМ) 17, гетеродинный вход которого является гетеродинным входом РПУ 3, усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 18, выход которого является выходом РПУ 3.
РПУ 3 (фиг. 6) при его реализации по схеме радиоприемника прямого усиления содержит последовательно соединенные ПФ 15, вход которого является входом РПУ 3, МШУ 16, выход которого является выходом РПУ 3.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.
В случае реализации РПУ 3 по супергетеродинной схеме (фиг. 5) сигналы, принимаемые АЭ 2 (фиг. 1), поступают на РПУ 3, где фильтруются в ПФ 15 (фиг. 5), усиливаются в МШУ 16, преобразуются по частоте в СМ 17 с помощью сигнала гетеродина Fгeт, поступающего на гетеродинный вход СМ 17 от второго ДМ 7, усиливаются в УПЧ 18 и поступают на АЦП 4.
В случае реализации РПУ 3 в виде радиоприемника прямого усиления (фиг. 6) сигналы, принимаемые АЭ 2 (фиг. 2), поступают на РПУ 3, где фильтруются в ПФ 15 (фиг. 6), усиливаются в МШУ 16 и поступают на АЦП 4.
mn
В АЦП 4 принимаемый сигнал преобразуется в поток цифровых отсчетов. S(t), следующих с тактовой частотой Fт, поступающей на тактовый вход АЦП 4 от первого ДМ 6, отсчеты с выходов АЦП 4 поступают на входы формирователей 10 из состава ПФДН 5 первого уровня.
i
Из полученных цифровых отсчетов в ПФДН 5 первого уровня формируют последовательность отсчетов парциальных ДН (лучей) первого уровня путем взвешенного суммирования отсчетов с выходов N АЦП 4. При размещении АЭ 2 ППМ 1 линейкой в горизонтальной плоскости в ПФДН 5 первого уровня последовательность отсчетов; i-го луча с направлением максимума ϕ, вычисляется умножением цифрового потока с каждого АЦП 4 в перемножителях 11 (фиг.3) на весовой множитель  из ПЗУ 12 и суммированиям в цифровом сумматоре 13:
где
x
d - расстояние между АЭ 2 в горизонтальной плоскости;
λ - длина волны.
Сформированные отсчеты К приемных лучей с выходов формирователей 10 поступают в интерфейс И 14, где преобразуются в последовательную форму и в виде последовательных кодов передаются в ПФДН 8 второго уровня (фиг. 4), где формируют парциальные ДН второго уровня.
i
В случае расположения LППМ 1 в подрешетке один над другим, парциальные ДН второго уровня формируются в вертикальной плоскости. Отсчеты i-го луча с направлением максимума θ вычисляются умножением цифровых потоков, соответствующих этому лучу с выходов LППМ 1 в перемножителях 11 (фиг. 4) на весовой множитель  из ПЗУ 12 и суммированиям в цифровом сумматоре 13:
где
y
d - расстояние между АЭ 2 в вертикальной плоскости.
Сформированные отсчеты К приемных лучей с выходов формирователей 10 поступают в интерфейс И 14, где преобразуются в последовательную форму и в виде последовательных кодов передаются в ПФДН 8 следующего уровня (фиг. 4), где формируют парциальные ДН следующего уровня.
Результирующую ДН формируют в ПФДН 8 последнего уровня, используя не более L последовательностей отсчетов парциальных диаграмм с выходов ПФДН 8 предыдущего уровня.
Число уровней формирования ДН определяется общим количеством МППМ 1 и количеством L ППМ 1 в подрешетках, при этом используют количество уровней формирования ДН, равноецелой части выражения
L
k=log(M-l)+2, М>2.
В случае реализации ППМ 1 на основе супергетеродинного радиоприемника в СФРС 9 (фиг. 1) формируются и распределяются на ППМ 1 сигналы гетеродина Fгeт и тактирования Fт, которые в каждом ППМ 1 делятся на N во втором ДМ 7 и первом ДМ 6 соответственно. Далее сигнал Fгeт подается на вход смесителя 17 (фиг. 5), сигнал Fт подается на тактовый вход АЦП 4.
В случае реализации ППМ 1 на основе радиоприемника прямого усиления, в СФРС 9 (фиг. 2) формируется и распределяется на ППМ 1 сигнал тактирования Fт, который в каждом ППМ 1 делится на N в первом делителе мощности 6. Далее сигнал Fт подается на тактовый вход АЦП 4.
Предлагаемый способ, по сравнению с прототипом, обеспечивает снижение требований к процессорам формирования ДН системы диаграммообразования за счет многоуровневой системы диаграммообразования, на каждом уровне которой параллельно формируются парциальные ДН из L потоков цифровых отсчетов.
В то время как в прототипе используется единственный процессор формирования ДН, одновременно обрабатывающий последовательности отсчетов сигналов сM ППМ. С учетом того, что АФАР могут иметь до сотни ППМ, процессор должен иметь соответствующее количество входов, а конструкция системы диаграмообразования должна включать соответствующее количество кабелей, сходящихся к одному процессору.
Предлагаемый способ, по сравнению с прототипом, обеспечивает более высокую надежность системы диаграммообразования АФАР за счет параллельного включения процессоров, при этом выход из строя одного из них приводит только к частичной потере работоспособности, что приводит только к искажению формы ДН. В то время как в прототипе за счет использования единственного процессора его отказ приводит к отказу всей АФАР.