СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ СТРУКТУРНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПОЛЯ, РАССЕИВАЕМОГО АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ
COMPENSATION METHOD OF STRUCTURAL COMPONENT OF FIELD DISSIPATED WITH ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для обеспечения требований электромагнитной совместимости различных систем, а также для достижения малой заметности объектов, оборудованных фазированными антенными решетками (ФАР).
Как известно, диаграммы рассеяния антенн содержат структурную и антенную составляющие [1]. Антенная составляющая диаграммы рассеяния (ДР) зависит от параметров ФАР, ее форма идентична диаграмме направленности (ДН) в режиме передачи. Структурная составляющая ДР не зависит от структуры антенны и ориентирована зеркально относительно направления падающей волны.
Для уменьшения антенной составляющей ДР необходимо уменьшать уровень боковых лепестков и улучшать согласование ФАР с фидером и фидера с приемником. Для уменьшения структурной составляющей ДР применяют активное гашение рассеянного поля [2], [3].
Схема устройства [2] с применением активного гашения рассеянного поля представлена на фиг.1. Она состоит из вибратора ФАР (1), циркулятора (2), нагрузки (3) и дополнительной цепи питания (4). Активное гашение осуществляют путем подвода к каждому вибратору ФАР, на которую падает внешняя электромагнитная волна, по дополнительным цепям питания энергии той же частоты, что и падающая волна. Подбирая амплитудно-фазовое возбуждение в дополнительных цепях питания, добиваются уменьшения суммарного тока, наводимого в вибраторах.
Недостатком известной схемы активного гашения является отсутствие априорной информации об амплитуде и фазе падающей волны, что приводит к временным затратам на подбор требуемых характеристик возбуждаемого сигнала.
Также известна другая схема ФАР с компенсацией рассеянного поля [3], представленная на фиг.2. Она состоит из решетки излучателей (1), устройства фазирования и распределения мощности (6), направленных ответвителей (5), диаграммообразующей матрицы (матрицы Батлера) (7), сопряженные входы которой соединены между собой через двунаправленные усилители радиочастоты (8) и фиксированные фазовращатели (9). Направленные ответвители включены в канал каждого излучателя, и часть принятой каждым излучателем мощности направляют на соответствующий вход матрицы Батлера.
Оставшиеся незадействованными входы направленных ответвителей соединены с согласованными нагрузками (3). Диаграммообразующая матрица, усилители радиочастоты (УРЧ) и фазовращатели образуют активный многополюсник. А активный многополюсник вместе с направленными ответвителями образует устройство компенсации рассеянного поля (УКРП).
При падении волны с определенного направления принятые каждым излучателем сигналы, частично ответвляясь в направленных ответвителях, поступают на все входы матрицы Батлера (МБ). При этом они суммируются в фазе на одном из выходов МБ в зависимости от направления прихода плоской волны. Амплитуда и фаза результирующего сигнала несут информацию об амплитуде и фазе рассеянного поля. Информация же о направлении прихода плоской волны заключена в номере входа МБ, на котором появился сигнал. Пройдя через усилитель и фазовращатель, результирующий сигнал поступает на сопряженный вход МБ, после чего на выходах МБ появятся сигналы одинаковой амплитуды с линейным набегом фазы, соответствующим излучению в направлении, зеркальном направлению первичной волны. Эти сигналы, пройдя через направленные ответвители, излучаются в том же направлении, что и рассеянная волна.
Если в N-элементной АР значения коэффициентов усиления усилителей и фазовых сдвигов фазовращателей подобраны так, что происходит компенсация рассеянного поля при падении плоской волны с N ортогональных направлений, то компенсация рассеянного поля будет происходить при произвольном возбуждении АР со стороны свободного пространства.
В данном устройстве реализован способ компенсации структурной составляющей поля, рассеянного ФАР, основанный на ответвлении части энергии принятых каждым излучателем сигналов, их совместной обработке с последующим вводом в канал каждого излучателя переизлучаемых компенсирующих сигналов. Указанный способ является ближайшим аналогом предлагаемого.
Совместную обработку ответвленных сигналов, принимаемых каждым излучателем ФАР, в прототипе осуществляют с помощью матриц Батлера, дополнительных двунаправленных УРЧ, не используемых для усиления полезного сигнала, и фиксированных фазовращателей.
Недостатками известного способа являются:
- матрицы Батлера выполняются с числом входов, кратным степени двойки, и при значительном числе излучателей весьма сложны;
- совместная обработка предполагает большое число перекрестных связей;
- используемые в цепях обратной связи УРЧ выполняют вспомогательные функции, так как не усиливают поступающие на вход приемника сигналы.
Предлагаемый способ компенсации структурной составляющей поля, рассеиваемого активной ФАР, позволяет устранить упомянутые недостатки известных способов.
На фиг.3 представлена схема канала одного излучателя ФАР, функционирующего по предлагаемому способу. Каждый канал ФАР содержит излучатель (1), циркулятор (2), усилитель радиочастоты (8), направленный ответвитель (5), согласованную нагрузку (3), фиксированный фазовращатель (9) и регулируемый фазовращатель (10), обеспечивающий направление ориентации луча ФАР.
При падении волны с определенного направления принятые каждым излучателем сигналы, проходя через циркулятор, усиливаются в УРЧ, частично ответвляются в направленном ответвителе, в результате чего формируется амплитуда компенсирующего сигнала, которая зависит от коэффициента усиления УРЧ и коэффициента ответвления направленного ответвителя. Далее этот сигнал поступает на фиксированный фазовращатель, обеспечивающий необходимый сдвиг фазы компенсирующего сигнала, поступающего затем через циркулятор на излучатель. Таким образом, обеспечивается противофазность компенсирующего и первоначально рассеянного сигналов.
В результате прохождения через циркулятор, УРЧ, направленный ответвитель, фиксированный фазовращатель и снова циркулятор сигнал излучается в направлении первоначально рассеянной волны, при этом амплитуда излучаемого сигнала равна амплитуде рассеянного, а фазы отличаются на 180°, что обеспечивает гашение структурной составляющей диаграммы рассеяния ФАР.
Рассмотрим существо предлагаемого способа. Как и прототип, предложенный способ компенсации структурной составляющей поля, рассеиваемого ФАР, основан на ответвлении части энергии принятых каждым излучателем сигналов, их обработке с последующим вводом в канал каждого излучателя переизлучаемых компенсирующих сигналов. Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что ответвление сигналов осуществляют после усиления, обработку сигналов выполняют в каждом излучателе отдельно путем введения фиксированного фазового сдвига, а для ввода компенсирующих сигналов применяют циркуляторы.
Таким образом, в предлагаемом способе изменены режимы выполнения всех трех операций, выполняемых в прототипе, что позволяет устранить недостатки, присущие известным схемам ФАР, осуществляющим активное гашение рассеиваемого поля. В отличие от них устройство, функционирующее по предлагаемому способу, проще ввиду отсутствия матриц Батлера и исключения сопутствующих им перекрестных связей. Кроме того, в нем УРЧ применяются непосредственно по назначению, так как усиливают сигнал в канале каждого излучателя.
Источники информации
1. Устройства СВЧ и антенны / Под ред. Д.И.Воскресенского. Изд. 2-е, доп. и перераб. - М.: Радиотехника, 2006.
2. Л.И.Пономарев, А.В. Долгий. Минимизация поля, рассеиваемого тонкими вибраторами. Изв. Вузов MB и ССО СССР. Сер. Радиоэлектроника, 1983, т.26, №8, с.48-53.
3. Максимов В.М. Уменьшение эффективной поверхности рассеяния ФАР методом активного гашения / Радиотехника, 1995, №7-8, с.69-72.