Устройство коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой кольцевой антенной решетки

Полезная модель относится к области антенной техники и может быть применена при разработке антенных систем, входящих в состав радиотехнических систем различного назначения, размещаемых на подвижных объектах.
Антенны подобных радиотехнических систем в основном имеют ненаправленные диаграммы направленности в азимутальной плоскости в режиме передачи и направленные диаграммы направленности в режиме приема. Требованиям по электродинамическим параметрам в полной мере отвечают кольцевые антенны, широко используемые в стационарных и мобильных радиопеленгаторах [1 - Рембовский A.M., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг - задачи, методы, средства / Под ред. Рембовского A.M. - М.: Горячая линия - Телеком. 2010. с. 347-364].
Такие антенные системы должны допускать наличие двух состояний: транспортировочного (на время движения объекта-носителя) и развернутого (рабочего) при функционировании радиотехнической системы. Кроме того, накладываются ограничения на время перевода антенной системы из транспортировочного в рабочее состояние. Еще одним важным условием является проведение коррекции амплитудно-фазового распределения в случае нештатных ситуаций при развертывании антенны.
Известна антенная система с круговым или секторным сканированием [2 - Пат. №2385518 (РФ). Антенная система с круговым или секторным сканированием / А.Л. Умнов, И.С. Шишалов. МПК H01Q 3/44. Опубл. 10.12.2009], включающая активный излучающий элемент и окружающие его пассивные переотражатели с включенными в них нагрузками с комплексным управляемым импедансом, расположенные в ближней зоне активного излучающего элемента. Пассивные переотражатели расположены более чем одним ярусом, при этом активный излучающий элемент выполнен в виде антенны с возможностью распределения энергии на указанные ярусы.
Недостатком антенной системы являются ограничения на использование в мобильных системах связи, радиопеленгации и радиообнаружения из-за отсутствия транспортировочного состояния и невозможности проведения коррекции амплитудно-фазового распределения при нештатных ситуациях.
Известна антенная система многоканального пеленгатора, выполненная на основе антенной решетки и ненаправленной антенны [3 - Пат. №2096797 (РФ). Способ пеленгации и многоканальный пеленгатор / A.M. Рембовский, В.Н. Кондращенко. МПК G01S 3/14, G01S 3/74. Опубл. 20.11.1997]. Складная антенная решетка включает антенные элементы, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга по окружности и выполненные из симметричных вибраторов, максимумы диаграмм направленности которых ориентированы вдоль радиусов от центра. Шарнирное крепление антенных элементов на основании блока и поворотные траверсы обеспечивают разворачивание антенной решетки. При разворачивании траверсы поворачиваются на 90° и фиксируются на основании блока. Ненаправленная антенна установлена в центре окружности, на которой размещены антенные элементы соосно с ней.
Недостатками известной антенной системы являются отсутствие ее автоматизированного разворачивания, что увеличивает время приведения антенной системы в рабочее положение, отсутствие возможности контроля положения антенных элементов при разворачивании и проведения коррекции амплитудно-фазового распределения при нештатных ситуациях.
Подобными недостатками обладают антенные системы, описанные в [4 - Пат. №2144200 (РФ). Способ пеленгации радиосигналов и многоканальный пеленгатор / А.В. Ашихмин, А.Д. Виноградов, В.Н. Кондращенко, A.M. Рембовский. МПК G01S 3/14, G01S 3/74. Опубл. 10.01.2000; 5 - Пат. №2201599 (РФ). Способ пеленгации радиосигналов и пеленгатор для его осуществления / А.В. Ашихмин, А.Д. Виноградов, Г.В. Литвинов, В.Н. Кондращенко, A.M. Рембовский. МПК G01S 3/14, G01S 3/74. Опубл. 27.03.2003].
Известен ряд кольцевых антенных решеток с системой контроля [6 - Пат. №2106649 (РФ). Кольцевая антенная решетка с системой контроля / Мануйлов Б.Д., Мануйлов М.Б., Богачев А.Ю. МПК G01R 29/10. Бюл. 7, 1998 г.; 7 - Патент №2112988 (РФ). Кольцевая антенная решетка с системой контроля / Мануйлов Б.Д., Мануйлов М.Б., Богачев А.Ю. Бюл. 16, 1998 г.] для поэлементного или параллельного контроля работоспособности каналов кольцевых антенных решеток, фазируемых по методу кольцевых гармоник. Указанные кольцевые антенные решетки содержат первую диаграммообразующую матрицу, входы которой соединены с излучателями антенной решетки, вторую диаграммообразующую матрицу, выходы которой подключены к сигнальным входам СВЧ-коммутатора, выход которого в свою очередь подключен к входу приемника, командное устройство, выход которого подключен к управляющему входу СВЧ-коммутатора, а также источник контрольного сигнала, состоящий из генератора контрольного сигнала и вспомогательной антенны. В качестве диаграммообразующей матрицы могут использоваться матрицы параллельного типа (матрицы Батлера) или последовательного типа (матрицы Бласса).
Недостатками этих устройств является отсутствие коррекции амплитудно-фазового распределения при нештатных ситуациях.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство коррекции амплитудно-фазового распределения антенной решетки по способу калибровки антенной решетки [8 - Пат. №2147753 (РФ). Способ калибровки антенной решетки / Бьерн Гуннар Йоханиссон (SE), Ульф Форссен (SE). МПК G01S 7/40, H01Q 3/36. Опубл. 20.04.2000], используемое в мобильной системе радиосвязи на передачу и прием. Устройство коррекции амплитудно-фазового распределения антенной решетки, используемой в мобильной системе радиосвязи на прием, в которой антенная решетка состоит из несколько антенных секций, включает приспособления для формирования входного сигнала (генератор, формирующий контрольные сигналы), приспособления для подачи упомянутого входного сигнала в каждую антенную секцию (калибровочной схемы с направленными ответвителями, установленными между каждым антенным элементом и малошумящим усилителем), приспособления для измерения сигнала на выходе каждой антенной секции (аналого-цифрового блока обработки сигналов), приспособления для формирования корректирующих сигналов с каждой антенной секции путем сравнения подаваемого сигнала и вышеупомянутых измеренных сигналов (блока измерения и формирования корректирующих сигналов), приспособления для регулировки вышеупомянутых антенных секций при помощи корректирующих коэффициентов (блока формирования весовых коэффициентов), причем выходной сигнал антенны регулируют путем добавления корректирующих коэффициентов в каждую антенную секцию цифровым способом.
Основным недостатком вышеупомянутого устройства является необходимость изменения схемы антенной решетки вследствие введения направленных ответвителей и отсутствие полного контроля каналов антенной решетки, включая антенные элементы.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является разработка устройства коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой кольцевой антенной решетки, обеспечивающего контроль положения антенных элементов при автоматическом раскрытии кольцевой антенной решетки и коррекцию амплитудно-фазового распределения в случае нарушения геометрии антенной решетки при развертывании антенны.
Для решения указанной задачи предлагается устройство коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой кольцевой антенной решетки, антенные элементы которой выполнены из симметричных вибраторов, расположенных по окружности, состоящее из блока управления режимами работы и синхронизации, несимметричного вибратора, расположенного в центре окружности, генератора контрольных сигналов, вход управления которого подключен к выходу блока управления режимами работы и синхронизации, выход генератора контрольных сигналов подключен ко входу несимметричного вибратора, преобразователей сигналов, ко входам которых подключены антенные элементы раскрываемой кольцевой антенной решетки, аналого-цифрового блока обработки сигналов, первые входы которого соединены с выходами преобразователей сигналов, второй вход аналого-цифрового блока обработки сигналов подключен к выходу блока управления режимами работы и синхронизации, первый выход аналого-цифрового блока обработки сигналов является выходом, с которого снимается информация в рабочем режиме радиотехнической системы, в которой используется предложенное устройство коррекции, блока формирования весовых коэффициентов, первый вход которого подключен к выходу блока управления режимами работы и синхронизации, выход блока формирования весовых коэффициентов электрически соединен с третьим входом аналого-цифрового блока обработки сигналов.
Согласно полезной модели, введены блок определения геометрии раскрываемой кольцевой антенной решетки, блок хранения массивов диаграмм направленности и блок формирования матриц (матрицы и псевдообратной матрицы). Первый вход блока определения геометрии раскрываемой кольцевой антенной решетки электрически соединен со вторым выходом аналого-цифрового блока обработки сигналов. Выход блока определения геометрии раскрываемой кольцевой антенной решетки подключен к первому входу блока хранения массивов диаграмм направленности, выход блока хранения массивов диаграмм направленности электрически связан с первым входом блока формирования матриц. Выход блока формирования матриц подключен ко второму входу блока формирования весовых коэффициентов. Вторые входы блока определения геометрии раскрываемой кольцевой антенной решетки, блока хранения массивов диаграмм направленности, блока формирования матриц подключены к выходу блока управления режимами работы и синхронизации.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается тем, что:
- введены новые элементы (блок определения геометрии раскрываемой кольцевой антенной решетки, блок хранения массивов диаграмм направленности и блок формирования матриц);
- изменены связи: ко второму выходу аналого-цифрового блока обработки сигналов подключен первый вход блока определения геометрии раскрываемой кольцевой антенной решетки, к второму входу блока формирования весовых коэффициентов подключен выход блока формирования матриц;
- введены связи: выход блока определения геометрии раскрываемой кольцевой антенной решетки подключен к первому входу блока хранения массивов диаграмм направленности, выход блока хранения массивов диаграмм направленности электрически связан с первым входом блока формирования матриц.
Техническим результатом предлагаемого устройства коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой кольцевой антенной решетки является обеспечение контроля положения антенных элементов при раскрытии кольцевой антенной решетки и коррекция ее амплитудно-фазового распределения при нарушении геометрии раскрываемой кольцевой антенной решетки.
Сочетание отличительных признаков и свойств предложенного устройства коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой кольцевой антенной решетки из доступной литературы не известны, следовательно, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что введенные и измененные элементы и их связи в указанной совокупности неизвестны. Введение новых элементов (блока определения геометрии раскрываемой кольцевой антенной решетки, блока хранения массивов диаграмм направленности и блока формирования матриц), исключение элементов (направленных ответвителей) и связей (между передатчиком, калибровочной схемой и направленными ответвителями), изменение связей (аналого-цифрового блока обработки сигналов, блока формирования весовых коэффициентов) и введение новых связей (выход блока определения геометрии кольцевой антенной решетки подключен к входу блока хранения массивов диаграмм направленности, выход блока хранения массивов диаграмм направленности электрически связан с входом блока формирования матриц) обеспечивает новое свойство - контроль положения антенных элементов при автоматическом раскрытии кольцевой антенной решетки и коррекцию ее амплитудно-фазового распределения при нарушении геометрии раскрываемой кольцевой антенной решетки.
Сущность полезной модели и достигаемого технического результата поясняется фигурами 1-16.
На фигуре 1 представлена структурная схема устройства коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой кольцевой антенной решетки.
На фигуре 2 приведены характерные зависимости принимаемого антенными элементами сигнала от угла раскрытия.
На фигурах 3, 4 показаны два возможных варианта геометрии кольцевой антенной решетки при неполном раскрытии одного антенного элемента и двух антенных элементов соответственно.
На фигурах 5-8 приведены диаграммы направленности в случае неполного раскрытия одного антенного элемента в отсутствии и при проведении коррекции амплитудно-фазового распределения в раскрываемой кольцевой антенной решетке.
На фигурах 9-16 приведены диаграммы направленности в случае неполного раскрытия двух антенных элементов в отсутствии и при проведении коррекции амплитудно-фазового распределения в раскрываемой кольцевой антенной решетке.
1
N
1
N
1
N
1
N
Устройство коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой кольцевой антенной решетки (фигура 1), антенные элементы (АЭ) 1-1 которой выполнены из симметричных вибраторов, содержит блок управления режимами работы и синхронизации (БУРС) 2, несимметричный вибратор (НВ) 3, расположенный в центре окружности, генератор контрольных сигналов (ГКС) 4, вход управления которого подключен к выходу БУРС 2, выход ГКС 4 подключен ко входу НВ 3, преобразователи сигналов (ПС) 5-5, ко входам которых подключены АЭ 1-1 раскрываемой кольцевой антенной решетки (КАР), аналого-цифровой блок обработки сигналов (БОС) 6, первые входы которого соединены с выходами ПС 5-5, второй вход БОС 6 подключен к выходу БУРС 2, блок определения геометрии раскрываемой кольцевой антенной решетки (БОГ) 7, первый вход которого подключен ко второму выходу БОС 6, блок хранения массивов диаграмм направленности (БХМ) 8, первый вход которого электрически соединен с выходом БОГ 7, а выход - с первым входом блока формирования матриц (БФМ) 9, блок формирования весовых коэффициентов (БФВК) 10, первый вход которого подключен к выходу БУРС 2, второй вход - к выходу БФМ 9, а выход БФВК 10 электрически соединен с третьим входом БОС 6. Вторые входы БОГ 7, БХМ 8 и БФМ 9 подключены ко входу БУРС 2.
Указанный на фигуре 1 первый выход аналого-цифрового блока обработки сигналов 6 является выходом, с которого снимается информация в рабочем режиме радиотехнической системы, в которой используется предложенное устройство коррекции.
Рассмотрим работу устройства коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой КАР.
1
N
1
N
1
N
1
N
В режиме контроля раскрытия АЭ 1-1 по команде БУРС 2 включается ГКС 4 и формируемые им сигналы посредством НВ 3 излучаются в свободное пространство и принимаются АЭ (симметричными вибраторами) 1-1. Принятые сигналы понижаются по частоте с помощью ПС 5-5 и поступают на первые входы БОС 6. Возможны два варианта обработки сигналов: параллельная обработка и последовательная обработка. В первом случае на выходах БОС 6 устанавливается буферный накопитель, в который записываются оцифрованные сигналы, соответствующие принятым АЭ 1-1 сигналам (коэффициентам передачи). Эти сигналы со второго выхода БОС 6 поступают на первый вход БОГ 7, где производится определение геометрии положения антенных элементов путем сравнения поступивших сигналов с эталонными сигналами.
1
N
Эталонные сигналы определяются на этапе отработки раскрываемой КАР и соответствуют уровням сигналов на выходах антенных элементов при различных углах раскрытия антенных элементов (симметричных вибраторов). Указанные сигналы записываются в БОГ 7 в виде зависимостей уровня сигналов от угла раскрытия АЭ 1-1.
На основе полученной информации о геометрии КАР, поступающей на первый вход БХМ 8, выбираются массивы диаграмм направленности (ДН) антенных элементов, соответствующие геометрии раскрытия КАР. Указанные массивы поступают на первый вход БФМ 9, в котором формируются прямая и обратная матрицы коэффициентов и производится вычисление нового амплитудно-фазового распределения (АФР), обеспечивающего минимальное отклонение сформированной ДН от ДН, полученной при штатном раскрытии (под штатным раскрытием понимается состояние исправной КАР при полном ее раскрытии).
Информация о новом АФР подается на второй вход БФВК 10. В БФВК 10 генерируются сигналы, соответствующие новым весовым коэффициентам.
1
N
Управляющие воздействия, соответствующие найденному новому АФР, поступают на третий (управляющий) вход БОС 6, обеспечивая формирование ДН при нештатном развертывании АЭ 1-1, близкой к заданной ДН, соответствующей ДН исправной КАР (ДН в штатном режиме).
Проведем теоретическое обоснование работоспособности предлагаемого устройства коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой кольцевой антенной решетки.
Диаграмма направленности КАР с цифровым диаграммообразующим устройством (ДОУ) может быть представлена следующим образом:
,
xn
yn
где ,  - координаты центров антенных элементов КАР после развертывания;
n
n
n
B - комплексные весовые коэффициенты, с которыми суммируются в цифровом ДОУ сигналы антенных элементов КАР;  - ДН -го антенного элемента; =1,…,N.
xn
yn
n
После развертывания КАР проводится определение положения антенных элементов путем измерения коэффициентов передачи от излучающего элемента к приемным и сравнения полученных значений с измеренными при проведении наземных испытаний для различных углов раскрыва антенных элементов. Это позволяет определить геометрическое положение излучателей (координаты , , =1,…,N).
Из блока хранения массивов выбираются массивы ДН антенных элементов, соответствующие положению антенных элементов после раскрытия КАР.
С использованием полученных данных о геометрии КАР после развертывания формируется матрица коэффициентов для нахождения требуемых весовых коэффициентов, соответствующих геометрии развернутой КАР
,
n
где  - ДН -го антенного элемента в направлении, ; Z - число направлений,
в которых согласно [9 - Зелкин Е.Г., Соколов В.Г. Методы синтеза антенн. Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. М. Сов. радио. 1980. 296 с.] накладывается требование совпадения заданной (ДН в штатном режиме) и формируемой ДН. В качестве заданной ДН (ДН в штатном режиме) используется ДН, формируемая при штатном раскрытии КАР.
В
Вычисляется новое АФР , позволяющее минимизировать в случае отклонения геометрии КАР после развертывания от штатной изменения ДН в среднеквадратическом смысле
,
В
где  - вектор размерности N×1, элементами которого являются сигналы на выходах антенных элементов;
α
- коэффициент регуляризации, выбор которого определяет компромисс между различием заданной и формируемой ДН и гладкостью получаемого АФР;
Е
- единичная матрица размерности N×N;
+- определяет операцию эрмитового сопряжения;
F
0
- вектор размерности Z×1, элементами которого являются значения заданной ДН в направлениях .
Формируются сигналы для установки новых весовых коэффициентов в цифровом ДОУ, обеспечивающие минимизацию изменения ДН КАР, обусловленного нештатным развертыванием антенных элементов.
λ
λ
Для оценки достигаемого технического результата рассматривался случай восьмиэлементной КАР радиуса 0,73 ( - рабочая длина волны), формирующей ДН с шириной луча 45° и уровнем боковых лепестков ниже минус 15 дБ.
η
η
α
η
α
Характеристика зависимости уровня сигнала на выходе каждого АЭ (коэффициент передачи ) определяется, как указано выше, на этапе отработки раскрываемой КАР в составе радиотехнической системы. Полученные результаты измерений хранятся и используются при контроле раскрытия антенных элементов после перевода КАР в рабочее положение. Характерный вид зависимости  от угла раскрытия , полученной расчетным путем, приведен на фигуре 2. Кривой 1 показана зависимость уровня сигнала в системе контроля при неправильном раскрытии одного АЭ, кривой 2 - зависимость уровня сигнала на выходе АЭ при неправильном раскрытии самого и соседнего АЭ, кривой 3 - зависимость  для среднего АЭ при неправильном раскрытии самого и двух соседних (с обеих сторон) АЭ. Угол раскрытия  отсчитывается от оси КАР. Приведенные графики показывают существование однозначной зависимости между углом раскрытия контролируемого АЭ и величиной коэффициента передачи, что позволяет уточнять геометрию КАР после раскрытия.
При проведении исследований рассматривались наиболее вероятные с практической точки зрения случаи сохранения формы синтезируемой ДН при неполном раскрытии одного или двух излучателей, примеры которых показаны на фигуре 3 при неполном раскрытии одного АЭ, на фигуре 4 - при неполном раскрытии двух АЭ.
Результаты исследований для рассматриваемой КАР в случае неполного раскрытия одного (первого) элемента приведены на фигурах 5-8. Выбор отмеченного случая характеризуется тем, что угловое положение данного элемента совпадает с направлением главного максимума ДН КАР и соответственно его вклад в формируемую ДН является наибольшим. С учетом этого неполное раскрытие такого АЭ приводит к наибольшим искажениям ДН КАР. На фигуре 5 показаны ДН при полностью нераскрытом первом АЭ, на фигуре 6 - при раскрытии АЭ на 15°, на фигуре 7 - при раскрытии АЭ на 30°, на фигуре 8 - при раскрытии АЭ на 45°.
На фигурах 5-8 и далее показаны ДН при полном раскрытии (сплошная линия); при неполном раскрытии с коррекцией АФР (штриховая линия); при неполном раскрытии без коррекции АФР (точечная линия).
Полученные результаты показывают, что при отсутствии коррекции АФР происходит полное разрушение ДН КАР, в том числе и смещение главного максимума ДН. В то же время выполняемая коррекция АФР в соответствии с предложенным алгоритмом позволяет практически полностью сохранить параметры формируемой ДН.
Проведем анализ ДН КАР при неполном раскрытии двух АЭ. В первом случае рассмотрим два соседних (первый и второй) АЭ, один из которых не раскрыт полностью, а второй раскрывается на угол 15°, 30°, 45° и 60°. Результаты исследований представлены на фигурах 9-12 соответственно. Случай, при котором оба излучателя не раскрываются, приводит к полному разрушению ДН. Однако и в случае раскрытия второго АЭ на угол только 15° возникают искажения ДН, которые не позволяют обеспечивать радионавигационные параметры с заданной точностью. Прежде всего, это относится к измерению угловых координат, так как возникающее сужение главного луча ДН приводит к искажению пеленгационной характеристики антенны. Для углов раскрытия второго АЭ более 30° искажения главного луча не возникают, а изменение уровня боковых лепестков ДН не превышает 3дБ.
На фигурах 13-16 показаны ДН для случая неполного симметричного раскрытия двух элементов КАР, лежащих на прямой, определяющей положение главного максимума ДН (первый и пятый излучатели). В этом случае проводимая корректировка АФР обеспечивает более точное сохранение формы ДН КАР, чем при неполном раскрытии двух соседних АЭ. Результаты, получаемые при других сочетаниях параметров не полностью раскрываемых элементов, незначительно отличаются от данных на выше приведенных фигурах.
Как следует из приведенных результатов, зависимость величины среднеквадратического отклонения формируемых при штатном и нештатном раскрытии КАР от угла раскрытия АЭ не является монотонной. Однако при углах раскрытия более 30° использование предложенного алгоритма позволяет сохранить форму главного лепестка ДН КАР и уровень боковых лепестков. Таким образом, как показывают представленные результаты, даже в случае неполного раскрытия двух элементов использование разработанного алгоритма коррекции АФР позволяет сохранить ДН КАР практически без изменения.
Реализация введенных блоков (блока определения геометрии раскрываемой кольцевой антенной решетки, блока хранения массивов диаграмм направленности и блока формирования матриц) не вызывает затруднений и может быть произведена с использованием существующей элементной базы, в частности программируемых логических интегральных схем и цифровых сигнальных процессоров, обеспечивающих реализацию функций управления, хранения и обработки данных [10 - Антенны, 2005, вып. 2(93), с. 48-50; с. 64-75]. Необходимыми возможностями обладает отечественный сигнальный контроллер 1892 ВМ3Т [11 - Плетнева И.Д. Реализация алгоритмов управления адаптивными антенными решетками на базе цифрового сигнального контроллера // Изв. вузов. Электроника, 2009, №3, с. 61-67].
Таким образом, технический результат от использования заявленного технического решения, по сравнению с аналогами и прототипом, заключается в обеспечении контроля положения антенных элементов при раскрытии кольцевой антенной решетки и коррекции ее амплитудно-фазового распределения при нарушении геометрии раскрываемой кольцевой антенной решетки.