СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ДВУХКОЛЬЦЕВОЙ ЦИФРОВОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
METHOD OF FORMING BEAM PATTERN OF DOUBLE-RING DIGITAL PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антенной технике, а именно к антенным системам с электронным управлением лучом и применением кольцевых цифровых фазированных антенных решеток (ЦФАР) в мобильных и стационарных средствах связи.
Известным путем формирования диаграммы направленности (ДН) кольцевой цифровой фазированной антенной решетки с уменьшенным уровнем боковых лепестков является выбор кольцевых структур и размещения антенных элементов (описание к патенту RU 2144200 С1, МПК 7 G01S 3/14, G01S 3/74, опубликовано: 10.01.2000, описание к патенту RU 2310956 С1, МПК H01Q 21/06 (2006.01), опубликовано 20.11.2007).
Известные технические решения направлены, главным образом, на совершенствование конструкции антенной системы и не решают задач управления формированием ДН.
Известны технические решения управления формированием ДН в антенных системах с электронным управлением лучом, в которых амплитудно-фазовое распределение выходных сигналов антенных элементов устанавливают в соответствии с выбранным критерием (описание к патенту RU 2287880 С2, MПK H01Q 21/29 (2006.01) H01Q 3/26 (2006.01), опубликовано 10.02.2006, описание к патенту RU (11) 2395141 С1, МПК H01Q 3/00 (2006.01), опубликовано 20.07.2010).
Известные способы решают задачу управления формированием ДН в системах с линейными антенными решетками.
Задача изобретения - управление формированием диаграммы направленности в системах с двухкольцевой цифровой фазированной антенной решеткой.
Технический результат от использования изобретения - формирование диаграммы направленности с требуемым уровнем боковых лепестков.
nm
nm
nm
Технический результат достигается тем, что в способе формирования диаграммы направленности двухкольцевой цифровой фазированной антенной решетки, включающий цифровую обработку СВЧ сигнала, формирование управляющих сигналов в соответствии с данными о требуемой ДН и передачу излучателям возбуждающих сигналов с амплитудно-фазовым распределением, определенным в соответствии с выбранным критерием, отличающийся тем, что амплитуды А и фазы φ возбуждающих сигналов, где n - номер излучателя в кольце ЦФАР, m - номер кольца, определяют, минимизируя функцию F среднеквадратического отклонения формируемой диаграммы направленности R(φ) от заданного распределения Е(φ) поля излучения антенной решетки, характеризующегося наименьшим уровнем боковых лепестков при данной ширине основного лепестка, при этом величина амплитуды A не превышает 1.
nm
nm
Сущность технического решения заключается в том, что амплитуды А, не превышающие 1, и фазы φ сигналов, возбуждающих соответствующие излучатели ЦФАР, рассчитываются по специальному численному алгоритму, который минимизирует среднеквадратичное отклонение диаграммы направленности ЦФАР от теоретической оптимальной (например, от распределения Дольфа-Чебышева, характеризующегося наименьшим уровнем боковых лепестков при заданной ширине основного лепестка).
На фиг. 1 изображена функциональная блок-схема антенной системы с двухкольцевой цифровой фазированной антенной решеткой (ЦФАР) для реализации способа; на фиг. 2 - нормированная диаграмма направленности двухкольцевой ЦФАР (кривая I) в сравнении с исходной, построенной на основе распределения Дольфа-Чебышева (кривая II) с уровнем боковых лепестков - 40 дБ и шириной главного лепестка 60° по уровню - 3 дБ; на фиг. 3 а) - нормированная диаграмма направленности двухкольцевой. ЦФАР, рассчитанная по стандартным формулам [Зелкин Е.Г., Соколов В.Г. Методы синтеза антенн. Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. М.: Советское радио, 1980, с. 249-251] (кривая III) при расстройке волнового числа Δk=0.1k, где k=2π/λ - волновое число, и распределение Дольфа-Чебышева (кривая IV) с уровнем боковых лепестков - 40 дБ и шириной главного лепестка 60° по уровню - 3 дБ; на фиг. 3 б) - нормированная диаграмма направленности, рассчитанная с помощью алгоритма, минимизирующего среднеквадратичное отклонение от заданной диаграммы направленности (кривая V) при расстройке волнового числа Δk=0.1k и распределение Дольфа-Чебышева с уровнем боковых лепестков - 40 дБ и шириной главного лепестка 60° по уровню - 3 дБ (кривая IV).
Двухкольцевая ЦФАР состоит из блока 1 управления, блока 2 формирования СВЧ сигнала, устройств 3 формирования возбуждающих сигналов по числу излучателей 4. Каждое устройство 3 формирования возбуждающего сигнала одним входом соединено с выходом блока 2 формирования СВЧ сигнала, а другим входом - с соответствующим выходом блока 1 управления. Выход каждого устройства 3 формирования возбуждающего сигнала соединен с соответствующим излучателем 4, которые расположены на двух концентрических окружностях с одинаковым угловым шагом.
Блок 1 управления может быть выполнен, например, аналогично блоку управления, описанному в патенте РФ №1531183, MПK H01Q 3/26, опубликован 23.12.89 г., бюл. №47. Блок 2 формирования СВЧ сигнала может быть выполнен, например, в виде генератора СВЧ сигнала (см. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия, 1975, с. 5). Устройство 3 формирования возбуждающего сигнала может быть выполнено, например, в виде умножителя (см. Братчиков А.Н. и др. Активные фазированные антенные решетки. Под ред. Д.И. Воскресенского. М.: «Радиотехника», 2004, с. 28).
Способ формирования диаграммы направленности двухкольцевой цифровой фазированной антенной решетки осуществляется следующим образом.
nm
nm
Для формирования диаграммы направленности круговой антенной решетки необходимо задание амплитуд А и фаз φ возбуждающих сигналов, поступающих на излучатели ЦФАР.
Блок 2 формирования сигнала вырабатывает СВЧ сигнал, который поступает на входы устройств 3 формирования возбуждающих сигналов. На вход блока 1 управления вводятся исходные данные о требуемой диаграмме направленности: угол направления главного лепестка и величина уровня боковых лепестков.
nm
nm
nm
nm
nm
В памяти блока 1 управления хранятся наборы комплексных коэффициентов С=Aexp(jφ). Каждый из коэффициентов C определяет амплитуду и фазу возбуждающего сигнала соответствующего излучателя 4. Наборы коэффициентов соответствуют различным направлениям излучения ЦФАР, изменение которого осуществляется с заданным произвольным угловым шагом, а сами коэффициенты C вычислены при условии заданного уровня боковых лепестков, что достигается за счет применения алгоритма, минимизирующего среднеквадратическое отклонение формируемой диаграммы направленности от заданной.
nm
nm
Блок 1 формирует управляющие сигналы, которые содержат цифровые данные о коэффициентах С и передает их в соответствующие устройства 3 формирования возбуждающих сигналов, в каждом из которых происходит перемножение сигнала СВЧ и соответствующего коэффициента С. Возбуждающие сигналы с выходов устройств 3 формирования поступают на соответствующие излучатели 4 ЦФАР, суммарное излучение которых и формирует требуемую диаграмму направленности.
nm
Сущность алгоритма расчета коэффициентов С заключается в следующем.
Диаграмма направленности однокольцевой круговой антенной решетки имеет вид [Watanabe. F, Goto N., Nagayama A., Yoshida G. A pattern synthesis of circular arrays by phase adjustment // IEEE Transactions on Antenna and Propagations, 1980, vol. AP-28, № 6, pp. 857-863, Зелкин E.Г., Соколов В.Г. Методы синтеза антенн. Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. М.: Советское радио, 1980, с. 249-251]:
.
В случае многокольцевой решетки с направленным под некоторым углом излучением диаграмма направленности имеет вид
,
,
где N - число элементов в однокольцевой антенной решетке, М - число колец.
nm
nm
Комплексные коэффициенты С вычисляются на основе минимизации функции F среднеквадратической ошибки (уклонения) диаграммы направленности R(φ) антенной решетки, сфазированной под некоторым углом, от искомого распределения Е(φ), характеризующегося наименьшим уровнем боковых лепестков при данной ширине основного лепестка, при одновременном выполнении условия |А|≤1:
,
i,
где суммирование проводится по множеству углов φ в которых уклонение диаграммы направленности от заданной должно быть минимальным. Е(φ) есть некоторое заданное распределение поля излучения антенной решетки, характеризующегося наименьшим уровнем боковых лепестков при данной ширине основного лепестка, например, распределение Дольфа-Чебышева. Для круговой антенной решетки оно имеет вид [Stearns С.О., Stewart А.С. An Investigation of Concentric Ring Antennas with Low Sidelobes // IEEE Transactions on Antenna and Propagations, 1965, vol. AP-13, № 6, pp. 856-863]:
,
l
где T(x) - полином Чебышева 1-го рода l-го порядка, ε - отношение уровня боковых лепестков к уровню основного лепестка.
Пример диаграммы направленности двухкольцевой цифровой фазированной антенной решетки, сформированной в соответствии с заявленным способом, а также ее сравнительные характеристики, подтверждающие достижение технического результата, представлены на фиг. 2, фиг. 3(а), (б).