ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С УПРАВЛЯЕМОЙ ШИРИНОЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ
CONTROLLED BEAMWIDTH PHASED ANTENNA ARRAY

Предлагаемое изобретение относится к антенным системам направленного приема с цифровым формированием ДНА - цифровым фазированным антенным решеткам (ЦФАР).
Наиболее эффективно устройство с управляемой шириной ДНА может использоваться в бортовых РЛС, радиолокационных ГСН, наземных РЛС, а также в системах радиопротиводействия.
Σ
Δ
Антенные устройства, обеспечивающие повышение углового разрешения с помощью устройства обужения ДНА, известны и представляют собой антенны, раскрыв которых делится на две равные части (для одной плоскости сканирования), из которых формируются суммарная и разностная диаграммы направленности. Совместная обработка суммарной (ДНА) и разностной (ДНА) диаграмм направленности позволяет уменьшить ширину ДНА, но не более двух раз.
Прототипом предлагаемого изобретения является приемная сверхразрешающая (по углам) ФАР (В.В.Добырн, А.В.Немов «Алгоритмические методы обужения ДНА пассивной антенной решетки», Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 1998 г., вып.3, стр.65, 66).
Прототип, блок-схема которого представлена на фиг.1, представляет собой фазированную антенную решетку относительно больших габаритов, поэтому для сокращения числа каналов обработки сигналов без потерь характеристик антенны, она разделена на подрешетки одинакового размера и содержит:
1 - излучатели ФАР;
2 - блоки аттенюаторов для амплитудного «взвешивания» сигналов, принимаемых соответствующей подрешеткой;
3 - блоки управляемых фазовращателей для фазирования подрешеток;
4 - СВЧ-сумматоры формирования подрешеток;
5 - управляемые (групповые) фазовращатели фазирования раскрыва ФАР;
6 - СВЧ-делители ½;
7 - СВЧ-сумматор для формирования суммарного сигнала ФАР;
8 - приемник суммарного сигнала;
9 - СВЧ-вычитающее устройство формирования обуженной ДНА;
10 - СВЧ-вычитающее устройство для образования элементарных разностных сигналов;
11 - СВЧ-сумматор образования разностного сигнала ФАР;
12 - приемник разностного сигнала;
Σ
Y - выход ФАР с обуженной ДНА.
В режиме приема сигналы через излучатели 1 и аттенюаторы 2 поступают на входы фазовращателей 3, где фазируются, после чего поступают на входы сумматоров 4, где формируется сигнал подрешетки. С выходов сумматоров сигналы подрешеток поступают на управляемые групповые фазовращатели 5 для выравнивания фаз сигналов подрешеток, для образования синфазной поверхности ФАР.
С выходов фазовращателей 5 сигналы поступают на соответствующие входы делителей 6, где делятся на два выхода поровну.
С одних выходов сигналы поступают на СВЧ-сумматор 7, где образуется суммарный сигнал всей ФАР, который через приемник 8 после детектора поступает на один вход вычитающего устройства 9.
С других выходов делителей 6 сигналы попарно (с соседних делителей 6) поступают на СВЧ-вычитающие устройства 10, с выходов которых разностные сигналы поступают на входы сумматора 11, где формируется разностный сигнал всей ФАР, который поступает на вход приемника разностного канала 12.
Σ
С выхода приемника 12 разностный детектированный сигнал поступает на второй вход вычитающего устройства 9, где происходит вычитание сигнала разностной ДНА и суммарной ДНА, что формирует обуженную ДНА на выходе ФАР - Y.
Р
р
ГСН
На фиг.2 показаны: ДНА исходная (пунктир), ширина которой Δθ°=λ/L, и ДНА обуженная (сплошная линия), которая по ширине , т.е. меньше чем исходная ДНА, однако это обужение (уменьшение ширины ДНА), как указывают авторы статьи В.В.Добырн и А.В.Немов («Алгоритмические методы обужения ДНА пассивной ФАР», Известия вузов, Радиоэлектроника, 1998 г., Вып.1, стр.65, 67), не превышает двух раз, то есть достигается увеличение углового разрешения всего до двух раз относительно ДНА реального раскрыва. Такое обужение ДНА, во-первых, несущественно, т.к. практически не превышает угловое разрешение, например, антенны активной ГСН с Δθ°=15°. При обужении в 2 раза (7,5°) линейный размер ДНА на расстоянии 6 км составит 340 м, то есть группа отражателей - кромка леса и танк, находящиеся на расстоянии 100 м (по азимуту), будут восприниматься головкой самонаведения как одна цель. Это значит:
- во-первых, минимальная ошибка наведения составит ~50 м, что исключает прицельное наведение ГСН в цель;
Σ
- во-вторых, прототип имеет относительно высокую среднеквадратическую шумовую ошибку измерения угловых координат, т.к. на выходе вычитающего устройства 9 (Фиг.1) некоррелированные шумы приемника 1 (8) и приемника 2 (12) суммируются, что приводит к увеличению шумовой составляющей Y, а это для высокоточных измерений является существенным недостатком;
Р
- в-третьих, прототип не расширяет нормальную ДНА, т.е. не позволяет управлять шириной диаграммы направленности.
Задачей изобретения является:
- повышение угловой разрешающей способности значительно более двух раз («сжатия» ДНА в десятки раз);
- уменьшение угловой среднеквадратической шумовой ошибки в десятки раз путем «сжатия» ДНА без существенного уменьшения коэффициента усиления антенны (<1,5 дБ);
- управление шириной ДНА (Δθ°) при «сжатии»  и расширении ДНА  реального раскрыва,
где λ - длина волны,
L - длина раскрыва (см. «Справочник по радиолокации» М.Сколник, М., Сов. радио, т.2, 1977 г., стр.57).
Для решения этой задачи в известное устройство (см. фиг.3) в каждую подрешетку вводятся (см. фиг.3):
- квадратурные фазовые детекторы - блок 7, АЦП (амплитудно-цифровые преобразователи) - блок 8;
i
- определитель модуля сигнала подрешетки A - блок 9;
- определитель фазы сигнала подрешетки  - блок 10;
- формирователь комплексного сигнала подрешетки с реальной фазой  - блок 11;
- умножитель фазы  - блок 12;
- формирователь комплексного сигнала с умноженной фазой  - блок 14;
Р
- формирователь ДНА с реальной фазой  ДНА - блок 13;
- формирователь ДНА с умноженной фазой  - блок 15;
- переключатель 16 для соединения входа блока 17 с выходом блока 13 (контакт «б») или с внешним устройством памяти коэффициента «1» (контакт «а»);
Р
СЖ
- перемножитель ДНА и ДНА - блок 17.
Изобретение представлено чертежами.
УПР
УПР
P
СЖ
ш
На фиг.3 - функциональная схема предлагаемой цифровой ФАР с управляемой шириной ДНА-F(θ°) (реальной - F(θ°), «сжатой» - Р(θ°), расширенной - F(θ°)).
СЖ
На фиг.4 - ДНА исходная и ДНА - «сжатая» в 10 раз.
СЖ
Р
На фиг.5 - ДНА - «сжатая» в 3, 5, 8 раз ДНР.
Р
СЖ
На фиг.6 - ДНА при наличии двух целей и ДНА в 100 раз с дифракционными лепестками.
СЖ
На фиг.7 - ДНА в 100 раз при наличии двух целей и при подавлении дифракционных лепестков.
УПР
УПР
i
i
i
Р
i
СЖ
Р
СЖ
Р
СЖ
На фиг.3 представлена функциональная схема цифровой ФАР с управляемой шириной ДНА-F(θ°), которая содержит: излучатели - 1, аттенюаторы управляемые - 2, фазовращатели управляемые индивидуальные - 3, СВЧ-сумматор - 4, фазовращатель групповой управляемый - 5, усилитель - 6, фазовые детекторы квадратурные - 7, АЦП - 8, определитель модуля сигнала подрешетки - 9, определитель фазы сигнала подрешетки φ - 10, формирователь комплексного сигнала с φ - 11, умножитель фазы φ·χ - 12, формирователь реальной ДНА - 13, формирователь комплексного сигнала с фазой φ·χ - 14, формирователь ДНА (с умноженной фазой ) - 15, переключатель входа перемножителя ДНА·ДНА - 16, перемножитель ДНА·ДНА - 17.
Излучатели радиоволн (1), заполняющие раскрывы подрешеток приемной ФАР, выход каждого из которых соединен с входом аттенюатора, расположенного в блоке 2.
Излучатель может быть изготовлен в виде диполя или открытого конца волновода или в виде диска, или спирали (Айзенберг Г.З. «Антенны УКВ», М., Связьиздат, 1957 г., стр.3…685).
Блок индивидуальных аттенюаторов подрешетки (2), обеспечивающих требуемое амплитудное распределение ФАР (Справочник по радиолокации». Сколник М., М., т.2, Сов. радио, 1977 г., стр.40…42). Выход блока аттенюаторов 2 соединен со входами индивидуальных фазовращателей (3).
Блок индивидуальных фазовращателей (3), предназначенных для формирования синфазных поверхностей в каждой подрешетке. Выход каждого фазовращателя блока 3 подключен к одному из входов своего СВЧ-сумматора (блок 4). Фазовращатели могут быть выполнены на pin-диодных переключателях или в виде МИС на полевых транзисторах с барьером Шоттки. Диапазон управления 0°…360°, дискрет установки фазы ~3° («Активные ФАР» под ред. Д.И.Воскресенского и др., М., Радиотехника, 2004 г., стр.26, 27).
СВЧ-сумматоры (4), каждый из которых может быть выполнен в виде микрополосковой схемы («Радиопередающие устройства». Под ред. Благовещенского М.В., Радио и связь, 1982 г., стр.109). Сумматор объединяет сигналы, поступившие на его входы в сигнал подрешетки, выход которого подключен ко входу своего управляемого фазовращателя подрешетки (5) («Справочник по радиолокации». Сколник М., М., т.2, Сов. радио, 1977 г., стр.20…22).
Управляемые групповые фазовращатели подрешетки (5), размещенные в блоке, предназначенном для выравнивания и стыковки фазового распределения всего раскрыва ФАР (АФАР), выходы которых подключены ко входам приемников подрешеток (6) (Там же, стр.206…251).
Приемники (усилитель) подрешеток (6) предназначены для усиления сигналов подрешеток до уровня, необходимого для работы квадратурных фазовых детекторов, а их выходы соединены с блоком квадратурных фазовых детекторов (7). Усилители могут выполняться на полевых транзисторах ПТШ в гибридно-интегральном исполнении.
0
Блок квадратурных фазовых детекторов ФД (7), обычно применяемых для оцифровки когерентных сигналов в цифровых ФАР («Активные ФАР» под ред. Д.И.Воскресенского и др., М., Радиотехника, 2004 г., стр.215), своими входами («сигнальными» и «опорными») подключен к выходам приемников (6) и выходам формирователя опорных сигналов U соответственно. Выходы синфазного и квадратурного фазовых детекторов(7) подключены ко входам соответствующих АЦП (синфазного и квадратурного).
ВХ1
ВХ2
ВХ1
i
ВХ2
i
=
Блок АЦП (8) предназначен для «оцифровки» - формирования цифровых кодов пропорционально амплитуде входных сигналов (U, U), которая содержит информацию и о фазе сигнала (U=A·cosφ; U A·sinφ).
Д
i
Входы квадратурных АЦП (8) (синфазного и квадратурного) подключены к соответствующему выходу ФД (7), вторые входы АЦП в соответствии с теоремой Котельникова - к сигналам дискретизации U. Выходы каждого АЦП (синфазного и квадратурного) - к двум входам: ко входу определителя модуля сигнала A (9) и к входу определителя фазы φi (10).
Устройства АЦП в настоящее время производятся промышленностью в широком ассортименте, например АЦП с частотой дискретизации 56 МГц, числом разрядов - 16, скоростью передачи данных - 28 Мслов/с, Rвх=50 Ом.
i
Модуль сигнала определяется с помощью типовых тригонометрических операций, причем определитель модуля сигнала подрешетки A (9) своими двумя входами подключен к двум соответствующим выходам АЦП (8): синфазному и квадратурному, а выходами параллельно - к двум входам формирователей комплексного сигнала (13) и (14):
- формирователь комплексного сигнала (11) с реальной фазой принятого сигнала ;
- формирователь (14) с умноженной фазой принятого сигнала .
i
Модуль A может определяться, например, известной формулой
Определитель фазы сигнала подрешетки  (10) своими двумя входами подключен к двум соответствующим выходам АЦП (8): синфазному и квадратурному, а выходом соединен с двумя входами: с входом формирователя комплексного сигнала 11 и с входом умножителя фазы (12).
i
i
i
i
Фаза сигнала подрешетки  может определяться с помощью известных тригонометрических преобразований входных сигналов Acosφ и Asinφ, например,
Формирователь комплексного сигнала подрешетки (11) предназначен для формирования комплексного сигнала с реальной фазой , используя полученные модуль и фазу сигнала. При этом формирователь (11) своим одним входом подключен к выходу определителя модуля (9), а другим - к выходу определителя фазы (10).
Выходом формирователь (11) подключен к одному из входов сумматора (13) - формирователя реальной ДН ФАР.
Умножитель фазы сигнала подрешетки (12) обеспечивает формирование новой умноженной фазы сигнала подрешетки , умножая фазу сигнала  на коэффициент сжатия χ>1 при «сжатии» ДНА, а при расширении ДНА - на χ<1.
При этом умножитель фазы  (12) одним своим входом подключен к выходу определителя фазы подрешетки (10), а другим - к внешнему устройству управления коэффициентом умножения «χ» (кодом коэффициента «χ»). Выход умножителя фазы 12 подключен к одному из двух входов формирователя 14 комплексного сигнала подрешетки с умноженной фазой , которая образуется перемножением кодов фазы  и коэффициента «χ», задаваемого оператором с помощью устройства управления.
При χ>1 ДНА будет «сжиматься» , а при χ<1 - расширяться в  раз.
Р
УПР
СЖ
СЖ
Ш
Р
УПР
Р
СЖ
Р
Ш
УПР
Формирователь реальной ДНА (13) предназначен для формирования реальной диаграммы направленности с шириной ΔΘ=λ/L. Причем формирователь (13) своими входами, число которых определяется числом подрешеток ФАР, подключен к соответствующим выходам формирователей комплексного реального сигнала подрешеток (11), а выходом - к переключателю (16). Формирователь комплексного сигнала с умноженной фазой (14) предназначен для получения комплексного сигнала с новой (умноженной) фазой . Формирователь (14) одним своим входом подключен к выходу определителя модуля сигнала подрешетки (9), а другим - к выходу умножителя фазы (12). Выход формирователя комплексного сигнала подрешетки с фазой  (блок 14) подключен к одному из входов сумматора формирователя (15) ДНА с управляемой шириной: «сжимаемой» (χ>1) ΔΘ, расширяемой (χ<1) -  и реальной (χ=1) . Формирователь диаграммы направленности ФАР с управляемой шириной (15) предназначен для получения «сжатой» ДНА при включении коэффициента χ>1, для получения расширенной ДНА при включении коэффициента χ<1 и получении реальной ДНА при включении коэффициента χ=1. Формирователь ДНА с управляемой шириной ДНА (15) своим входом подключен к соответствующему выходу каждого формирователя комплексного сигнала подрешетки с умноженной фазой , а выходом - к входу перемножителя (17). Переключатель (16) предназначен для подключения входа перемножителя (17) к выходу формирователя (13) или к внешнему устройству памяти кода коэффициента 1. Переключатель (16), соединяющий выход формирователя реальной ДНА (13) с входом перемножителя (17) при замыкании (контакт «б») и разъединяющий - при замыкании контакта «а» - подключение кода «1» к входу перемножителя (17) (вместо выхода блока 13 - контакта «б»). Перемножитель (17) предназначен для подавления дифракционных лепестков в «сжатой» ДНА при подключении входа перемножителя (17) к выходу формирователя (13) с помощью переключателя (16) и для умножения ДНА (χ=1) и ДНА (χ<1) на коэффициент «1», если необходимо использовать реальную диаграмму направленности или расширенную диаграмму направленности в конкретных режимах РЛС. Перемножитель реальной ДН ФАР и управляемой ДНА ФАР(«сжатой», расширенной или нормальной) (17) одним входом соединен с выходом переключателя (16), а другим - с выходом формирователей (15). Выход перемножителя (17) является выходом фазированной антенной решетки с управляемой шириной диаграммы направленности. Все перечисленные блоки (после блока 8 - АЦП) являются цифровыми и входят в состав сигнального процессора, например, 80486ДХ2™, применяемого для математической и логической обработки информации. Число разрядов максимальное - 80; тактовая частота - 50 МГц. (Стандарт (ANSI/IEE 754-1985).
Фазированная антенная решетка с управляемой шириной диаграммы направленности (фиг.3) работает следующим образом.
K
УПР
φi
Электромагнитный поток энергии, перехваченный раскрывом ФАР, поступает через излучатель 1 (диполь, открытый конец волновода или щель (Айзенберг Г.З. «Антенны УКВ», М., Связьиздат, 1957 г., стр.282-287, 323, 668) и управляемые аттенюаторы 2, с помощью которых устанавливается амплитудное распределение A по раскрыву (к - номер каналов подрешетки), на входы индивидуальных управляемых фазовращателей 3, в которых в соответствии с сигналами управления U выставляется фазовое распределение , создающее синфазную поверхность подрешетки по сигналам с заданного направления. Структура сигналов управления может быть представлена в виде шестиразрядного слова, например, 110111, где первая 1 - тире знак «+», первый «0» - знак «минус»; остальные элементы двоичного кода показывают одно из 64 возможных значений фазы, устанавливаемой данным кодом фазовращателя. Управляющие сигналы вырабатываются с помощью драйверов (программ). Взаимозависимость сигнала управления и величины изменения фазы сигнала U=f(φ°) представлена в литературе, например, «Справочник по радиолокаци» и под ред. М.Сколник, том №2, М., Сов. радио, 1977 г., стр.255.
С выходов индивидуальных фазовращателей 3 сигналы  поступают на входы сумматоров 4, в которых образуется сигнал подрешетки. ,
где
<mrow><msub><mi>A</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>ϕ</mi><mi>i</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow></msup></mrow>
λ - длина волны сигнала, d - межэлементное расстояние излучателей, к - номер излучателя, Θ° - угловое направление прихода сигнала относительно нормали к раскрыву, N - количество излучателей в подрешетке (Айзенберг Г.З. «Антенны УКВ», М., Связьиздат, 1957 г., стр.190). С выходов сумматора 4 сигналы подрешеток поступают на входы групповых управляемых фазовращателей 5 (аналогичных фазовращателям 3), предназначенных для формирования единого фазового распределения всего раскрыва ФАР за счет «выравнивания» фаз сигналов подрешеток
,
i
где A - амплитуда сигнала на выходе i-ой подрешетки;
- фаза сигнала i-ой подрешетки;
i - номер подрешетки.
0
1
i
i
2
i
i
Д
i
Сигнал подрешетки с выхода фазовращателя (5) поступает (если необходимо увеличить уровень сигнала) на вход усилителя (6), доводится до требуемой величины и с выхода усилителя (6), который является выходом подрешетки, сигнал поступает на входы квадратурного фазового детектора (7). Квадратурный фазовый детектор (применяется в цифровых фазированных решетках - «АФАР» под ред. Воскресенского Д.И. и др., изд. «Радиотехника», М., 2004 г., стр.215) своими входами («сигнальным» и «опорным») подключен к выходу усилителя (6) и к источнику опорного сигнала U соответственно. В квадратурном фазовом детекторе детектируются сигналы высокой частоты и при этом в фильтрах фазового детектора выделяются синфазный сигнал - реальная часть входного сигнала и квадратурный сигнал - мнимая часть. С выходов фазового детектора сигналы: U=Acosφ и U=Asinφ (реальная часть сигналов подрешетки и мнимая часть соответственно) поступают на входы АЦП, на другие входы которых поступает с синхронизатора сигнал дискретизации U с частотой повторения, определяемой теоремой Котельникова. Устройства АЦП производятся промышленностью в широком ассортименте, например АЦП с частотой дискретизации 56 МГц, числом разрядов 16, скоростью передачи информации до 28 Мслов/с. С каждого из двух выходов амплитудно-цифровых преобразователей (синфазного и квадратурного) данной подрешетки сигналы параллельно поступают каждый на свой вход определителя модуля сигнала подрешетки A(9) и на свой вход определителя фазы сигнала подрешетки (10). Определитель модуля сигнала подрешетки 9 вычисляет модуль, например, возведя в квадрат оба входных сигнала , сложив их и вычислив квадратный корень
i
i
i
i
i
СЖ
Р
Р
Ш
В определителе фазы сигнала подрешетки (10) может использоваться, кроме  (с ограничениями), и другая тригонометрическая формула, например, 0,5 arccos 2φ. С выхода блока (9) и блока (10) модуль A и фаза φ соответственно поступают на вход блока формирования комплексного сигнала (11), где по этим полученным параметрам (A и φ) образуют комплексное число  (например, с помощью логарифмирования). Кроме того, параллельно с выхода определителя фазы сигнала подрешетки (10) код фазы сигнала  поступает на вход умножителя фазы (12), где умножается на код коэффициента χ, который задается оператором от внешнего источника в зависимости от режима работы ФАР. При χ>1 происходит «сжатие» ДНА, при χ=1 обеспечивается работа реальным лучом (ДНА) и при χ<1 реальная ДНА расширяется до заданной этим коэффициентом ширины ДНА.
i
С выхода умножителя фазы (12) код произведения  поступает на второй вход формирователя кода комплексного сигнала 14 с умноженной фазой , получаемого перемножением кода A и .
Р
0
(3). С выходов формирователя комплексного сигнала 11 коды сигнала  поступают на входы формирователя реальной диаграммы 13, где образуется код ДНА, равный F(Θ), суммированием
где M - количество подрешеток ФАР.
Выходной код формирователя реальной диаграммы направленности 13 подается на переключатель 16, контакт «б».
УПР
С выходов формирователей комплексного сигнала подрешеток с умноженной фазой  14 коды комплексных сигналов подрешеток  поступают на входы формирователя ДНА 15, на выходе которого образуется код «сжатой», реальной и расширенной диаграммы направленности F(Θ).
СЖ
Ш
P
Р
0
0
, где χ может быть больше 1 (в этом случае происходит «сжатие» ДНА - F(Θ°)), меньше 1 (расширение ДНА - F (Θ)), равно 1 (изменение ширины ДНА относительно реальной не происходит, F(Θ)=ДНА).
СЖ
СЖ
Р
Р
На фиг.4 представлено графическое изображение F(Θ°), обозначенное сплошной линией, на котором видно, что ширина диаграммы направленности F(Θ°) в 10 раз меньше чем F(Θ°)=ДНА, которая обозначена пунктиром.
1
2
Природа эффекта «сжатия» ДНА на выходе формирователя (15) (без физических изменений размеров ФАР или длины рабочей волны) объяснима сравнением двух диаграмм направленности ФАР F(Θ°) с одинаковым количеством излучателей, но с разным межэлементным расстоянием d (d, d):
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>Θ</mi><mn>0</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>M</mi></msubsup><mrow><msub><mi>A</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>ϕ</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow></msup></mrow></mstyle><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mtext></mtext><mi>M</mi></mrow></msubsup><mrow><msub><mi>A</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>j</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mo>⋅</mo><mi>χ</mi><mo>⋅</mo><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msup><mi>Θ</mi><mn>0</mn></msup></mrow></msup></mrow></mstyle><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>Θ</mi><mn>0</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>M</mi></msubsup><mrow><msub><mi>A</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>ϕ</mi><mrow><mi>i</mi><mn>2</mn></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow></msup></mrow></mstyle><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mtext></mtext><mi>M</mi></mrow></msubsup><mrow><msub><mi>A</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>j</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mo>⋅</mo><mi>χ</mi><mo>⋅</mo><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msup><mi>Θ</mi><mn>0</mn></msup></mrow></msup></mrow></mstyle><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
(Айзенберг Г.З. «Антенны УКВ», M., Связьиздат, 1957 г., стр.190).
<mrow><msubsup><mi>ϕ</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ϕ</mi><mrow><mi>i</mi><mn>2</mn></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>ϕ</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>⋅</mo><mi>χ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mo>⋅</mo><mi>χ</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msup><mi>Θ</mi><mn>0</mn></msup><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
При определении фазы
на выходе определителя фазы (10) и последующем умножении ее в умножителе (12) на коэффициент χ получим новую «умноженную» фазу
СЖ
СЖ
2
Как было указано выше, выход умножителя фазы (12) соединен с одним из входов формирователя комплексного сигнала (14), выход которого является выходом подрешетки и соединен с формирователем «сжатой» ДНА (15), в котором при суммировании всех выходных сигналов подрешеток ФАР образуется ДНА F(Θ°) (см. выше).
<mrow><msubsup><mi>ϕ</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msup><mi>Θ</mi><mn>0</mn></msup></mrow>
Сравнивая фазу
и «умноженную» фазу на χ
<mrow><msubsup><mi>ϕ</mi><mrow><mi>i</mi><mn>2</mn></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mo>⋅</mo><mi>χ</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msup><mi>Θ</mi><mn>0</mn></msup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msup><mi>Θ</mi><mn>0</mn></msup></mrow>
1
2
2
1
2
1
2
1
; d·χ=d, заключаем, что межэлементное расстояние d в χ раз больше чем d. Это означает, что длина раскрыва ФАР в χ раз больше чем раскрыв ФАР или L=L·χ.
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>Θ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>Θ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mi>χ</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>Θ</mi><mn>1</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
2
Р
Однако известно («Справочник по радиолокации» под ред. М.Сколник, том №2, М., Сов. радио, 1977 г., стр.57), что ширина диаграммы направленности в радианах  или
, т.е. ΔΘ на выходе формирователя 14 в χ раз уже, чем
(ширина ДНА) на выходе формирователя 13.
СЖ
Р
2
1
<mrow><mi>d</mi><mo>≥</mo><mfrac><mi>λ</mi><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>sin</mi><mi>γ</mi></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Кроме того, из фиг.4 видно, что ДНА имеет второе существенное отличие от ДНА - близкорасположенные дифракционные лепестки, которые возникли из-за значительно увеличенного (в χ раз) межэлементного расстояния d=d·χ, так как известно («Справочник по радиолокации» под ред. М.Сколник, том №2, М., Сов. радио, 1977 г., стр.142) условие их появления
(γ - сектор сканирования ФАР<±90°).
2
Р
1
<mrow><mi>d</mi><mo>≤</mo><mfrac><mi>λ</mi><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>sin</mi><mi>γ</mi></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>λ</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow>
Поскольку коэффициент χ может составлять теоретически любое число больше 0, то d может составлять несколько λ, что приведет к появлению нескольких дифракционных лепестков в секторе сканирования ФАР, т.е. возникнет существенная угловая неоднозначность при сканировании «сжатой» диаграммы направленности на выходах формирователей (15). В то же время на выходе формирователя реальной ДНА (13) дифракционные лепестки отсутствуют, так как величина d выбирается из условия
, а при
дифракционные лепестки отсутствуют полностью в секторе сканирования ±90°.
Р
СЖ
Таким образом, на выходе формирователя (13) образовалась ДНА без дифракционных лепестков, а на выходе формирователя (15) - ДНА с дифракционными лепестками (см. фиг.4).
Ш
Ш
Р
При χ<1 формируется расширенная ДНА - F(Θ°) без дифракционных лепестков, так как межэлементное расстояние в этом случае (при χ<1) будет меньше, чем в реальной ДНА.
СЖ
Ш
СЖ
Ш
Р
Ш
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>Θ</mi><mrow><mi>У</mi><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
Таким образом, F(Θ°) и F(Θ°) являются функцией коэффициента χ, который задается с пульта оператора параллельно на все умножители фазы (12) (всех подрешеток) и может иметь любую положительную величину в диапазоне χ=0…∞, определяемую практической целесообразностью в действующем режиме работы ФАР. С выхода блока (15) сформированная диаграмма направленности с управляемой шириной
(или F(Θ°), или F(Θ°), или F(Θ°)) поступает на вход перемножителя с реальной ДНА 17, где при положении «а» переключателя (16) диаграммы F(Θ°) или F(Θ°) умножаются на «1». При этом устанавливается χ<1.
ВЫХ
Ш
ВЫХ
0
В этом случае ДНА на выходе перемножителя (17) будет определяться как F(Θ°)=F(θ) или F(Θ°)=F(Θ°).
Р
СЖ
УПР
ВЫХ
СЖ
СЖ
Р
<mrow />
При положении «б» переключателя (16) ДНА с выходов формирователя (13) поступает на вход перемножителя (17), где перемножается с F(Θ°), при этом χ>1. Тогда выходная ДНА F(Θ°)=F(Θ°)·F(Θ°)
. Это означает, что дифракционные лепестки диаграммы направленности F(Θ°) будут подавлены умножением на 0 (от ДНА).
Управление переключателем 16 осуществляется с пульта оператора в соответствии с требованиями режима работы ФАР. При этом положение «б» переключателя 16 конструктивно совпадает с χ>1, а положение «а» - с χ≤1.
ВЫХ
СЖ
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>У</mi><mi>Г</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msup><mi>Θ</mi><mn>0</mn></msup></mrow><mrow><msqrt><mrow><mfrac><mi>С</mi><mi>Ш</mi></mfrac></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mi>С</mi><mi>Ш</mi></mfrac></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>У</mi><mi>Г</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>У</mi><mi>Г</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><mfrac><mi>С</mi><mi>Ш</mi></mfrac></mrow>
Вышеприведенная обработка в виде перемножения диаграмм направленности обеспечивает требуемую форму выходной ДНА F для повышения угловой разрешающей способности и позволяет подавить все дифракционные лепестки, которые содержала F(Θ°). Среднеквадратическая шумовая ошибка измерения угловых координат
, где
- отношение сигнал-шум (Справочник по радиолокации, Д.Бартон и др., М., Сов. радио, 1976 г., стр.46, формула 2.45). Из соотношения видно, что
пропорциональна ширине ДНА ΔΘ° и с ее уменьшением в χ раз
также уменьшается в χ раз (
не изменяется, так как величина раскрыва ФАР физически не увеличивается).
Для проверки приведенных выше предложений по управлению шириной диаграммы направленности ФАР и их обоснования проведено математическое моделирование, результаты которого представлены на фиг.4, фиг.5, фиг.6 и фиг.7.
Р
СЖ
Р
СЖ
На фиг.4 показаны ДНА - пунктир и ДНА - сплошная линия, которые соответствуют выходным сигналам формирователя 13 (ДНА) и формирователя (15) (ДНА).
Изображение показывает:
СЖ
Р
- ширина ДНА в 10 раз уже, чем ширина ДНА;
СЖ
0
- четыре дифракционных лепестка ДНА равномерно располагаются в секторе ±90;
р
СЖ
Р
- максимальное значение дифракционных лепестков совпадает с нулевыми уровнями ДНА, т.е. при перемножении ДНА×ДНА в перемножителе (17) дифракционные лепестки будут подавлены.
Р
СЖ
На фиг.5 представлены: реальная диаграмма направленности ДНА - пунктирная линия 1 и «сжатая» диаграмма направленности ДНА - 3, 5, 8, зависящие от коэффициента «сжатия» χ, который изменяется при переключении до величин 1, 3, 5, 8 на соответствующем входе умножителя фазы (12):
1
Р
- при положении «а» переключателя (16) χ=1, ДНА - 1 (пунктирная линия);
2
СЖ
- при положении «б» переключателя (16) χ=3, ДНА - 3 (сплошная линия);
3
СЖ
- при положении «б» переключателя (16) χ=5, ДНА - 5 (штрих линия со звездами);
8
СЖ
- при положении «б» переключателя (16) χ=8, ДНА - 8 (сплошная линия со звездами).
Результаты показывают:
СЖ
1 - уменьшение ДНА («сжатая» диаграмма направленности антенны) соответствует коэффициенту умножения фазы χ;
2 - положение дифракционных лепестков относительно главного лепестка зависит от коэффициента χ - с увеличением «сжатия» (коэффициента χ) угловое расстояние до главного лепестка уменьшается.
Р
Р
Р
На фиг.6 представлен результат моделирования работы ФАР при наличии группы из двух целей, расположенных внутри реальной диаграммы направленности ДНА. Изображение показывает, что эта группа целей по углу не разрешается диаграммой ДНА, т.е. раздельно цели не наблюдаются (видно некоторое искажение ДНА из-за наличия второй цели). Измерять координаты каждой цели невозможно.
СЖ
При включении χ=100 происходит «сжатие» ДНА на выходе формирователя 15 примерно в 100 раз.
Р
Раздельно наблюдаются две цели внутри ДНА, но из-за наличия двух пар дифракционных лепестков угловое разрешение отсутствует.
Р
СЖ
Р
СЖ
На фиг.7 показан результат моделирования работы перемножителя (17) (ДНА×ДНА). При включении переключателя (16) в положение «б» с выхода формирователя (13) поступает ДНА на вход перемножителя (17), на другой вход которого поступает ДНА с выхода формирователя (15).
Р
СЖ
ВЫХ
При перемножении ДНА×ДНА на выходе перемножителя (17) образуется ДНА ФАР с управляемой шириной диаграммы направленности от двух раздельно наблюдаемых целей и остатки от подавленных на 50 дБ дифракционных лепестков.
Математическое моделирование показало, что предлагаемое устройство позволяет:
- реализовать угловое сверхразрешение путем управляемого «сжатия» диаграммы направленности антенны в 10 и более раз (например, в 100 раз) за счет умножения фазы каждого сигнала решетки (подрешетки) на задаваемый оператором коэффициент;
- уменьшить величину среднеквадратической шумовой ошибки измерения угловой координаты за счет «сжатия» ширины диаграммы направленности антенны;
СЖ
- подавить дифракционные максимумы ДНА умножением ее на ДНА реального раскрыва ФАР.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает достижение технического результата по сравнению с прототипом, которое заключается:
1 - в существенном (в десятки раз) повышении угловой разрешающей способности ФАР - обеспечении углового сверхразрешения;
2 - в существенном (в десятки раз) уменьшении шумовой среднеквадратической ошибки измерения угловых координат без существенного уменьшения (не более 1,5 дБ) коэффициента усиления антенны;
3 - в возможности управлять шириной ДНА, «сжимая» ее при необходимости или расширяя относительно нормальной величины, определяемой длиной волны и величиной раскрыва антенны.
Достижение этого технического результата позволяет:
- определять количество целей в группе;
- измерять угловые координаты каждого объекта - цели в группе для обеспечения прицельного наведения на каждую цель;
- повысить точность измерения угловых координат за счет существенного уменьшения случайной ошибки и ошибки за счет мешающих объектов;
- сократить время поиска целей за счет расширения ДНА.
1 - ИЗЛУЧАТЕЛИ
2 - АТТЕНЮАТОРЫ УПРАВЛЯЕМЫЕ
3 - ФАЗОВРАЩАТЕЛИ УПРАВЛЯЕМЫЕ ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ
4 - СВЧ-СУММАТОР
5 - ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ ГРУППОВОЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ
6 - УСИЛИТЕЛЬ
7 - ФАЗОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ КВАДРАТУРНЫЕ
8 - АЦП
9 - ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ МОДУЛЯ СИГНАЛА ПОДРЕШЕТКИ
10 - ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ ФАЗЫ СИГНАЛА ПОДРЕШЕТКИ
i
11 - ФОРМИРОВАТЕЛЬ КОМПЛЕКСНОГО СИГНАЛА С РЕАЛЬНОЙ ФАЗОЙ φ
i
12 - УМНОЖИТЕЛЬ ФАЗЫ φ·χ
Р
P
13 - ФОРМИРОВАТЕЛЬ РЕАЛЬНОЙ ДНА С НЕУПРАВЛЯЕМОЙ ΔΘ
i
14 - ФОРМИРОВАТЕЛЬ КОМПЛЕКСНОГО СИГНАЛА С УМНОЖЕННОЙ ФАЗОЙ φ·χ
СЖ
<mrow><msubsup><mi>ϕ</mi><mi>i</mi><mn>0</mn></msubsup><mo>⋅</mo><mi>χ</mi></mrow>
15 - ФОРМИРОВАТЕЛЬ ДНА (С УМНОЖЕННОЙ ФАЗОЙ
)
Р
СЖ
16 - ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ВХОДА ПЕРЕМНОЖИТЕЛЯ ДНА с ДНА
Р
СЖ.
17 - ПЕРЕМНОЖИТЕЛЬ ДНА с ДНА