ЦИФРОВАЯ СКАНИРУЮЩАЯ ПРИЕМНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ДЛЯ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ
DIGITAL SCANNING RECEIVING ANTENNA ARRAY FOR RADAR STATION

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокационных системах.
Известна цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции, содержащая антенную решетку из N приемных антенных модулей, выходы которых соединены со входами устройства преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму (оцифровки сигналов) приемной антенной решетки, цифровое устройство выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной антенной решетки по каждому из сканирующих лучей - диаграмм направленности (ДН), соединенное с устройством цифрового формирования М сканирующих лучей (RU 2395140 С2, 20.07.2010).
Цифровые приемные антенные решетки характеризуются сравнительно большим количеством сложных и дорогих аналоговых приемных устройств и аналого-цифровых преобразователей (АЦП) по сравнению с фазирующими устройствами в обычных фазированных антенных решетках (ФАР), поэтому при проектировании цифровых решеток очень остро стоит вопрос уменьшения количества приемных устройств и АЦП.
Количество приемных устройств определяется шагом антенной решетки, т.е. отношением расстояния между приемными антенными элементами к длине волны (d/λ). Для уменьшения количества приемных устройств необходимо увеличить шаг антенной решетки при одной и той же апертуре. Однако с увеличением шага антенной решетки (при d/λ >0,5) при сканировании луча за пределами сектора сканирования появляются побочные максимумы ДН (дифракционные лепестки), которые при увеличении сектора сканирования могут достигать уровня главного максимума ДН антенной решетки.
Другим недостатком традиционных антенных решеток, в том числе цифровых, является изменение амплитуды основной ДН в секторе сканирования примерно по закону cos θ, где θ - угол сканирования (отклонение относительно нормали к плоскости антенной решетки).
Известно теоретическое решение этой проблемы. Например, если сделать так, что ДН некоего «идеального» антенного модуля антенной решетки равнялась бы нулю вне сектора сканирования (см. Фиг. 1), а внутри сектора сканирования равнялась бы единице (ДН столообразной формы), то, поскольку ДН решетки получается перемножением ДН антенного модуля и множителя антенной решетки, дифракционные лепестки будут подавлены, так как умножаются на нулевые значения за пределами ДН «идеального» антенного модуля, а максимум главного лепестка ДН решетки будет равным единице во всем секторе сканирования.
Для того чтобы реализовать такую антенну, необходимо устройство, которое бы имело количество входов в раскрыве антенной решетки, равное количеству приемных элементов, и такое же число выходных каналов. Для простоты пояснения удобно рассмотреть такую антенную решетку в режиме передачи, т.е. выходные каналы обозначить как входные, а приемные антенные модули обозначить как излучающие элементы антенной решетки.
Для формирования столообразной ДН каждым излучателем необходимо, чтобы при возбуждении каждого входного канала в апертуре антенной решетки формировалось бы амплитудно-фазовое распределение, близкое к sinU/U, где U - относительное отклонение луча от нормали к плоскости антенной решетки; при этом фазовый центр каждого из формируемых амплитудно-фазовых распределений должен соответствовать положению в антенной решетке того входного канала, с которого было возбуждено данное амплитудно-фазовое распределение. В конструктивном отношении это означает, что каждый вход антенной решетки должен быть соединен одновременно со всеми излучающими элементами антенной решетки, причем коэффициенты передачи от входного канала ко всем выходным должны быть различными по амплитуде и фазе.
В области СВЧ-техники реализация таких принципов построения приемной антенной решетки крайне затруднительна и, теоретически, все описанные связи должны формироваться на базе чисто реактивных СВЧ-элементов.
В то же время, реализация вышеописанных принципов построения приемной антенной решетки при переводе их в область цифровых технологий очевидна и подтверждается практикой формирования с одной апертуры нескольких независимо сканирующих лучей в цифровой приемной антенной решетке, так как формирование нескольких амплитудно-фазовых распределений осуществляется цифровым (программным) способом на уровне многоканальной параллельной цифровой обработки принятых сигналов.
Технический результат состоит в уменьшении в цифровой приемной антенной решетке количества приемных устройств и АЦП, в увеличении сектора сканирования при постоянной амплитуде главного лепестка ДН антенной решетки.
Для этого в цифровую сканирующую приемную антенную решетку для радиолокационной станции по первому варианту, содержащую антенную решетку из N приемных антенных модулей, при этом принимаемый комплексный сигнал с каждого антенного модуля раскладывается на две квадратурные составляющие, образуя N пар сигналов, поступающих на соответствующие N пар входов устройства оцифровки, на выходе которого формируется N пар цифровых сигналов, к которым подмешиваются соответствующие цифровые сигналы, поступающие с цифрового устройства выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной антенной решетки по каждому из сканирующих лучей, соединенного с устройством цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности (ДН), согласно изобретению дополнительно введено цифровое устройство формирования диаграммы направленности в каждом приемном антенном модуле, подключенное N парами своих входов к соответствующим выходным каналам устройства оцифровки приемных каналов, а своими выходными каналами к N парам входных каналов устройства цифрового формирования сканирующих ДН приемной антенной решетки, при этом к устройству цифрового формирования ДН в каждом приемном антенном модуле подключено цифровое устройство выработки весовых коэффициентов, выполненное с возможностью формирования в раскрыве цифровой приемной антенной решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует диаграмма направленности, по форме близкая к столообразной.
Технический результат по второму варианту достигается тем, что в цифровую  сканирующую приемную антенную решетку для радиолокационной станции, содержащую  решетку из N приемных антенных модулей, при этом принимаемый комплексный сигнал с каждой подрешетки раскладывается на две квадратурные составляющие, образуя N пар сигналов, поступающих на соответствующие N пар входов устройства оцифровки, на выходе устройства оцифровки сигналов приемной антенной решетки формируется N пар цифровых сигналов, к которым подмешиваются соответствующие цифровые сигналы, поступающие с цифрового устройства выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной решетки по каждому из сканирующих лучей, соединенного с устройством цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности, согласно изобретению дополнительно введено цифровое устройство формирования диаграммы направленности (ДН) в каждом приемном антенном модуле, подключенное N парами своих входов к соответствующим выходным каналам устройства оцифровки приемных каналов, а своими выходными каналами к N парам входных каналов устройства цифрового формирования сканирующих ДН приемной антенной решетки, при этом к устройству цифрового формирования ДН в каждом приемном антенном модуле подключено цифровое устройство выработки весовых коэффициентов, выполненное с возможностью формирования в раскрыве цифровой решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует диаграмма направленности, по форме близкая к столообразной, причем формирование ДН в каждом приемном антенном модуле осуществляется программным способом на уровне внутримашинного обмена.
На Фиг. 2 показана структурная схема цифровой сканирующей приемной антенной решетки.
Приемная антенная решетка для радиолокационной станции содержит антенную решетку 1 из N приемных антенных модулей, устройство оцифровки 2, цифровое устройство 3 формирования ДН в каждом приемном антенном модуле, цифровое устройство выработки весовых коэффициентов 4, выполненное с возможностью формирования в раскрыве цифровой антенной решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, устройство 5 цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности, цифровое устройство 6 выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной антенной решетки по каждой из сканирующих М диаграмм направленности.
Цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции работает следующим образом.
Плоская электромагнитная волна падает на N антенных модулей, образующих раскрыв антенной решетки, в общем случае под некоторым углом, в результате чего в апертуре антенной решетки формируется равноамплитудное распределение с постоянным фазовым сдвигом между антенными модулями, пропорциональным углу падения плоской волны. Совокупность антенных модулей и приемных устройств образует решетку приемных антенных модулей 1. СВЧ-энергия электромагнитной волны с выходов антенных модулей проходит на соответствующие N входов приемных устройств. На выходах приемных модулей выделяется комплексный сигнал промежуточной частоты в виде двух квадратурных составляющих (условно cos и sin), так что на выходе приемной антенной решетки образуются N пар сигналов, поступающих на соответствующие N пар входов устройства оцифровки 2, где осуществляется дискретизация сигналов и их квантование в соответствующих N парах модулей аналого-цифрового преобразования. Таким образом, решетка приемных модулей и устройство оцифровки приемных сигналов образуют цифровую приемную антенную решетку (ЦАР), у которой на выходе в цифровом виде имеет место амплитудно-фазовое распределение (АФР), повторяющее АФР на входах устройства 1. Диаграмма направленности такой ЦАР соответствует ДН традиционных антенных решеток, и ДН ее приемных антенных модулей по форме близки к косинусоидальной.
С выходов устройства 2 сигналы в цифровом виде поступают на соответствующие входы устройства цифрового формирования ДН в каждом приемном антенном модуле, к которому подключено цифровое устройство выработки весовых коэффициентов, выполненное с возможностью формирования в раскрыве ЦАР N АФР вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует диаграмма направленности, по форме близкая к столообразной.
С этой целью во входных каналах устройства 3 приемные сигналы перемножаются с соответствующими цифровыми сигналами весовых коэффициентов, поступающих из устройства 4. Таким образом, на выходе устройства 4 будем иметь выходные каналы ЦАР, у которой каждым приемным модулем будет формироваться ДН, близкая к столообразной.