СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КОМПЕНСАЦИОННОЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ В ПЛОСКОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКЕ С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ЛУЧОМ
METHOD OF FORMING COMPENSATION BEAM PATTERN IN FLAT ELECTRONICALLY CONTROLLED-BEAM ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах локации и связи при приеме электромагнитных волн плоской антенной решеткой с электронным управлением лучом в условиях воздействия помех, направления приема которых неизвестны.
Известны способы активной борьбы с помехами, в частности способ когерентной компенсации помех, описанный в [1 - Защита от радиопомех / М.В. Максимов, М.П. Бобнев, Б.Х. Кривицкий и др.; Под. ред. М.В. Максимова. - М.: Сов. радио. 1976. - С. 220, 234]. В соответствии со способом, производят прием сигнала помехи остронаправленной антенной основного канала и слабонаправленной антенной компенсационного канала, диаграмма направленности которой охватывает область боковых лепестков диаграммы направленности основного канала, при этом на выходах основного и компенсационного каналов путем регулировки уровня помехи и фазового сдвига в компенсационном канале создают одинаковые по интенсивности и противоположные по фазе сигналы помех, которые при суммировании взаимно компенсируются, а сигнал пеленгового направления проходит через сумматор с минимальными искажениями, поскольку для него соотношения амплитуд и фаз, требуемые для подавления, соблюдаться не будут. Способ реализован в классическом амплитудном компенсаторе помех, который представляет собой двухканальную систему, включающую в свой состав две антенны: направленную, в основном канале, и слабонаправленную - в компенсационном канале. Способ позволяет осуществить компенсацию помехи при условии, что диаграмма направленности антенны в компенсационном канале и диаграмма направленности антенны в основном канале в области боковых лепестков идентичны, а в направлении области главного лепестка антенны основного канала в диаграмме направленности антенны компенсационного канала сформирован нуль.
Недостатком способа является то, что на практике нуль образуют только в направлении максимума главного лепестка антенны основного канала. При отклонении от этого максимума вследствие перекомпенсации появляется ослабление полезного сигнала, источник которого находится в области главного лепестка диаграммы направленности антенны основного канала.
Для подавления помех в широком секторе углов указанный способ реализуют в многоканальных компенсаторах помех, где каждая диаграмма направленности в конкретном компенсационном канале отвечает за свой сектор углов. В этом случае в каждом компенсационном канале в определенном секторе углов обеспечивают заданное превышение уровня диаграммы направленности антенны компенсационного канала над уровнем боковых лепестков диаграммы направленности антенны основного канала [2 - Адаптивная компенсация помех в каналах связи / Ю.И. Лосев, А.Г. Бердников, Э.Ш. Гойхман, Б.Д. Сизов; Под ред. Ю.И. Лосева. - М.: Радио и связь. 1988. С. 134-136].
Недостатком многоканальных компенсаторов помех является их значительная сложность.
Известен ряд способов формирования диаграммы направленности фазированной антенной решетки с провалами в направлениях, соответствующих источникам помех.
Так, известен способ формирования диаграммы направленности линейной фазированной антенной решетки с провалами в направлениях, соответствующих источникам помех [3 - RU 2431222. Способ подавления боковых лепестков диаграммы направленности линейной фазированной антенной решетки / Гаврилова С.Е., Грибанов А.Н., Мосейчук Г.Ф., Чубанова О.А. Класс H01Q 3/26, опубликован 10.10.2011 г.], основанный на оценке уровня исходной диаграммы направленности фазированной антенной решетки, выделении в раскрыве двух M-элементных подрешеток, расположенных на краях исходной, и введении фазовых поправок со знаком минус для элементов одной подрешетки и со знаком плюс для элементов другой подрешетки, причем величины фазовых поправок для всех элементов подрешеток выбирают равными по абсолютному значению из условия заданной величины подавления и ширины углового сектора подавления боковых лепестков.
Аналогом вышеописанного способа является способ, описанный в [4 - RU 2123743. Способ формирования нуля диаграммы направленности фазированной антенной решетки. / Мануйлов Б.Д., Башлы П.Н. Класс H01Q 3/26, опубликован 20.12.1998 г.]
Недостатком известных способов является то, что подавление бокового излучения гарантируется лишь в определенном угловом секторе.
Известен способ подавления помех в области боковых лепестков в антенных решетках со спадающим амплитудным распределением [5 - Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток). - 2-е изд., доп. и перераб. - М: Радио и связь. 1994. С. 36]. Чем выше скорость спадания амплитудного распределения к краям раскрыва, тем ниже уровень боковых лепестков антенны и больше ослабление помех.
Однако использование спадающего амплитудного распределения приводит к снижению энергетики антенны, что ограничивает возможности данного способа и является недостатком этого способа.
Известен способ когерентной компенсации помех, предложенный в [1, с. 220]. Он состоит в том, что осуществляют прием сигналов и помех с помощью приемной антенны основного канала, ориентируя ее в направлении сигнала, производят прием помех, действующих по боковым лепесткам приемной антенны основного канала, теми или иными средствами на выходах усилителей высокой или промежуточной частоты формируют противоположные по фазе помеховые сигналы основного и компенсационного приемников, напряжения основного и компенсационного приемников с учетом весовых коэффициентов суммируют, при этом осуществляют когерентную компенсацию помех, действующих по боковым лепесткам диаграммы направленности приемной антенны основного приемника. К недостаткам данного способа следует отнести следующее. Учитывая, что в качестве антенны компенсационного канала чаще всего используют ненаправленную антенну с фиксированным положением нуля диаграммы направленности, возможно ослабление полезного сигнала. При использовании направленной антенны в компенсационном канале, формирующей нуль в предполагаемом направлении прихода сигнала, не исключается возможность попадания составляющей полезного сигнала в компенсационный канал при приходе сигнала с другого направления. Кроме того, диаграмма направленности антенны компенсационного канала, как правило, отличается от диаграммы направленности антенны основного канала, что приводит к снижению эффективности когерентной компенсации помех при подавлении нескольких помех.
Более близким по технической сущности к заявляемому способу (прототипом) является способ формирования компенсационной диаграммы направленности [6 - патент 2395141 (RU). Способ формирования компенсационной диаграммы направленности в антенной системе с электронным управлением лучом. / Алексеев О.С., Баринов Н.Н., Мосейчук Г.Ф., Синани А.И. Класс H01Q 3/00, опубликован 20.07.2010 г.], основанный на формировании остронаправленной сканирующей диаграммы направленности антенной системы основного канала и слабонаправленной несканирующей диаграммы направленности антенны компенсационного канала, перекрывающей по уровню боковое излучение остронаправленной диаграммы направленности, ответвлении части СВЧ-сигнала, принятого остронаправленной диаграммой направленности антенной системы основного канала, а также регулировании уровня и фазы СВЧ-сигнала таким образом, чтобы при последующем суммировании этого ответвленного СВЧ-сигнала с сигналом, принятым слабонаправленной диаграммой направленности, в результирующей диаграмме направленности слабонаправленной антенны образовался провал в направлении оси остронаправленной диаграммы направленности, причем при изменении углового положения луча сканирующей остронаправленной диаграммы направленности в секторе сканирования и/или рабочей частоты для образования провала в результирующей диаграмме направленности слабонаправленной антенны дополнительно изменяют амплитуду и фазу ответвленного СВЧ-сигнала.
К достоинствам способа следует отнести уменьшение в направлении на сигнал уровня компенсационной диаграммы направленности в антенной системе с электронным управлением лучом на любой частоте в рабочем диапазоне частот, а недостатком данного способа является проблематичность формирования слабонаправленной несканирующей диаграммы направленности, которая всюду перекрывает по уровню боковое излучение остронаправленной сканирующей диаграммы направленности, из чего следует, что данный способ может работать в ограниченной области углов. При наличии одного антенного элемента слабонаправленная диаграмма направленности будет почти изотропной, но уровень принимаемого сигнала будет наименьшим. При увеличении числа антенных элементов в несканирующей диаграмме направленности растет ее норма, однако при сужении луча ограничивается область компенсации помех. Поэтому для расширения луча надо повышать коэффициент передачи в компенсационном канале и снижать чувствительность приемной системы (при усилении сигнала в компенсационном канале одновременно происходит и усиление шумов).
Задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является обеспечение требуемого превышения уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки в широком секторе углов.
Для решения указанной задачи предлагается способ формирования компенсационной диаграммы направленности в плоской антенной решетке с электронным управлением лучом, основанный на формировании остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки и слабонаправленной диаграммы направленности, перекрывающей по уровню боковое излучение остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки.
Согласно изобретению, формирование остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки осуществляют с использованием выбранных комплексных амплитуд антенных элементов с учетом требуемого превышения уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности, формирование слабонаправленной диаграммы направленности производят путем суммирования сигналов антенных элементов, расположенных в центральных ортогональных линейках плоской антенной решетки, с комплексными амплитудами, соответствующими комплексным амплитудам антенных элементов плоской антенной решетки в направлении на источник полезного сигнала, а компенсационную диаграмму направленности получают путем вычитания остронаправленной сканирующей диаграммы направленности из слабонаправленной диаграммы направленности, умноженной на весовой коэффициент, равный отношению норм остронаправленной сканирующей и слабонаправленной диаграмм направленности при ориентации луча плоской антенной решетки в направлении нормали к плоскости раскрыва.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявленный способ отличается тем, что изменена совокупность действий, а именно: режимы выполнения трех операций:
изменен режим выполнения действия, связанного с формированием остронаправленной сканирующей диаграммы направленности: остронаправленную сканирующую диаграмму направленности плоской антенной решетки формируют с использованием выбранных комплексных амплитуд антенных элементов с учетом требуемого превышения уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности;
изменен режим выполнения действия, связанного с формированием слабонаправленной диаграммы направленности: слабонаправленную диаграмму направленности формируют путем суммирования сигналов антенных элементов, расположенных в центральных ортогональных линейках плоской антенной решетки, с комплексными амплитудами, соответствующими комплексным амплитудам антенных элементов плоской антенной решетки в направлении на источник полезного сигнала;
изменен режим выполнения действия, связанного с формированием компенсационной диаграммы направленности: компенсационную диаграмму направленности получают путем вычитания остронаправленной сканирующей диаграммы направленности из слабонаправленной диаграммы направленности, умноженной на весовой коэффициент, равный отношению норм остронаправленной сканирующей и слабонаправленной диаграмм направленности при ориентации луча плоской антенной решетки в направлении нормали к плоскости раскрыва.
Техническим результатом предлагаемого способа является сохранение чувствительности приемной системы при сканировании в широком секторе углов, а также формирование нуля компенсационной диаграммы направленности при постоянном отношении норм остронаправленной сканирующей и слабонаправленной диаграмм направленности.
Изменение режимов трех операций позволяет, по сравнению со способом-прототипом, обеспечить требуемое превышение уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки в широком секторе углов при сохранении чувствительности приемной системы при сканировании в широком секторе углов, а также формирование нуля компенсационной диаграммы направленности при постоянном отношении норм остронаправленной сканирующей и слабонаправленной диаграмм направленности.
Предлагаемое изобретение не известно из уровня техники, а также не известны источники информации, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а также свойства, совпадающие со свойствами заявляемого решения, поэтому можно считать, что оно обладает существенными отличиями, вытекает из них неочевидным образом и, следовательно, соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
На фигуре 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
На фигуре 2 показана прямоугольная сетка координат и плоская антенная решетка.
На фигуре 3 приведена неотклоненная объемная диаграмма направленности плоской антенной решетки (остронаправленная сканирующая диаграмма направленности плоской антенной решетки основного канала).
На фигуре 4 представлена неотклоненная объемная слабонаправленная диаграмма направленности (слабонаправленная диаграмма направленности компенсационного канала).
На фигуре 5 изображена неотклоненная объемная компенсационная диаграмма направленности.
На фигуре 6 приведены главные сечения объемной остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки (пунктирная кривая), объемной слабонаправленной диаграммы направленности (штрихпунктирная кривая) и объемной компенсационной диаграммы направленности (сплошная кривая) при неотклоненном луче.
0
0
На фигуре 7 показана объемная остронаправленная сканирующая диаграмма направленности плоской антенной решетки (отклоненный луч θ=40°, φ=20°).
0
0
На фигуре 8 представлена объемная компенсационная диаграмма направленности (отклоненный нуль θ=40°, (φ=20°).
0
0
На фигурах 9-10 приведены главные сечения объемной диаграммы направленности плоской антенной решетки (пунктирная кривая), объемной слабонаправленной диаграммы направленности (штрихпунктирная кривая) и объемной компенсационной диаграммы направленности (сплошная кривая) при отклонении луча (θ=40°, (φ=20°).
На фигурах 11-12 показаны области углов, в которых достигнуто требуемое превышение уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки (темные области).
При реализации способа формирования компенсационной диаграммы направленности в плоской антенной решетке с электронным управлением лучом выполняется следующая последовательность операций:
- осуществляют прием сигналов антенных элементов плоской антенной решетки с электронным сканированием лучом и суммируют их, формируя остронаправленную сканирующую диаграмму направленности плоской антенной решетки с использованием выбранных комплексных амплитуд антенных элементов с учетом требуемого превышения уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности;
- производят формирование слабонаправленной диаграммы направленности путем суммирования сигналов антенных элементов, расположенных в центральных ортогональных линейках плоской антенной решетки, с комплексными амплитудами, соответствующими комплексным амплитудам антенных элементов плоской антенной решетки в направлении на источник полезного сигнала;
- получают компенсационную диаграмму направленности путем вычитания остронаправленной сканирующей диаграммы направленности из слабонаправленной диаграммы направленности, умноженной на весовой коэффициент, равный отношению норм остронаправленной сканирующей и слабонаправленной диаграмм направленности при ориентации луча плоской антенной решетки в направлении нормали к плоскости раскрыва.
Использование в качестве плоской антенной решетки с электронным управлением лучом цифровой антенной решетки позволяет совместить антенны основного и компенсационного каналов в одном раскрыве [7 - Добычина Е.М., Шмачилин П.А. Построение цифровых антенных решеток для современных радиоэлектронных систем // Антенны. 2011. №3. С. 36-46].
Рассмотрим реализацию способа с помощью устройства, приведенного на фиг. 1.
В состав устройства входят: 1 - антенные элементы (АЭ) цифровой антенной решетки, 2 - многоканальный блок усиления и преобразования частоты (БУПЧ), 3 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 4 - блок суммирования (БС), на выходе которого формируется сигнал, соответствующий остронаправленной сканирующей диаграмме направленности плоской антенной решетки, 5 - блок суммирования (БС), обеспечивающий формирование сигнала, соответствующего слабонаправленной диаграмме направленности, 6 - блок формирования и хранения весового коэффициента (БВК), равного отношению норм остронаправленной сканирующей и слабонаправленной диаграмм направленности плоской антенной решетки при ориентации луча плоской антенной решетки в направлении нормали к плоскости раскрыва, 7 - блок умножения (БУ), 8 - блок вычитания (БВ), обеспечивающий формирование сигнала, соответствующего компенсационной диаграмме направленности.
<mrow><mi>u</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>u</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>w</mi><mi>o</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>w</mi><mrow><mi>o</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>w</mi><mrow><mi>к</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>w</mi><mrow><mi>к</mi><mn>1</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>w</mi><mrow><mi>к</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>w</mi><mrow><mi>к</mi><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>w</mi><mrow><mi>к</mi><mn>1</mn><msub><mi>m</mi><mi>x</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>w</mi><mrow><mn>0</mn><msub><mi>m</mi><mi>x</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>w</mi><mrow><mi>к</mi><mn>2</mn><msub><mi>m</mi><mi>y</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>w</mi><mrow><mn>0</mn><msub><mi>m</mi><mi>y</mi></msub></mrow></msub></mrow>
x
y
x
y
0
0
o
o
x
y
1
2
1
0
0
2
0
0
0
0
1
2
o
1
1
0
0
2
2
0
0
Совокупность сигналов и помех, принятая АЭ 1 цифровой антенной решетки, после выполнения необходимых действий, связанных с усилением и преобразованием частоты в БУПЧ 2, оцифровывается в АЦП 3 и поступает в каждый момент времени t на вход специализированной ЭВМ в виде вектора отсчетов
, размерность которого N=M×M соответствует числу антенных элементов цифровой антенной решетки (M и M - число антенных элементов цифровой антенной решетки в центральных горизонтальной и вертикальной линейках соответственно). В БС 4 вектор отсчетов u(t) скалярно умножается на вектор комплексных весовых коэффициентов
, обеспечивающий установку луча в направлении источника сигнала (θ, φ), и производится формирование остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки заданной ширины луча и уровня боковых лепестков (фигура 3). Следовательно, вектор w определяет форму остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки F(θ, φ). В БС 5 параллельно во времени принятый вектор отсчетов умножается скалярно на векторы комплексных весовых коэффициентов
и
. При этом M комплексных коэффициентов
, соответствующих антенным элементам цифровой антенной решетки в центральной горизонтальной линейке, совпадают с коэффициентами
, а остальные коэффициенты равны нулю; M комплексных коэффициентов
, соответствующих антенным элементам цифровой антенной решетки в центральной вертикальной линейке, совпадают с коэффициентами
, а остальные коэффициенты равны нулю. Выбор комплексных весовых коэффициентов обеспечивает независимое формирование двух диаграмм направленности F(θ, φ) и F(θ, φ), одномерно расширенных в ортогональных плоскостях (вдоль ортогональных линеек антенной решетки), с нормами /F(θ, φ)/, /F(θ, φ)/ и максимумами, ориентированными в направлении источника сигнала (θ, φ). При этом в одной из главных плоскостей каждая из диаграмм направленности F(θ, φ) и F(θ, φ) совпадает с диаграммой направленности плоской антенной решетки F(θ, φ), а в другой - приближается к диаграмме направленности одиночного антенного элемента плоской антенной решетки. На выходе БС 5 образуется сигнал, соответствующий слабонаправленной диаграмме направленности, F(θ,φ)/|F(θ,φ)|+F(θ,φ)/|F(θ,φ)| (фигура 4).
В БВК 6 на этапе настройки и отладки плоской антенной решетки в отсутствие помех формируется весовой коэффициент, соответствующий отношению норм остронаправленной сканирующей и слабонаправленной диаграмм направленности при ориентации луча плоской антенной решетки в направлении нормали к плоскости раскрыва. Этот весовой коэффициент остается постоянным в процессе функционирования и может быть изменен только при перенастройке плоской антенной решетки.
Сигнал с выхода БС 5 поступает на первый вход БУ 7, а на второй вход БУ 7 поступает сигнал с выхода БВК 6. На выходе БУ 7 образуется сигнал, уровень соответствует уровню слабонаправленной диаграммы направленности, умноженному на весовой коэффициент. Для формирования сигнала, соответствующего компенсационной диаграмме направленности, в БВ 8 в каждый момент времени производится вычитание сигнала с выхода БС 4 из сигнала с выхода БУ 7. В результате алгебраического суммирования формируется сигнал, соответствующий компенсационной диаграмме направленности (фигура 5), которая в области углов, соответствующих главному лучу остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки, имеет область «нулей». Главные сечения трех указанных диаграмм направленности приведены на фигуре 6.
Оценим возможности формирования слабонаправленной диаграммы направленности антенны компенсационного канала с заданным превышением над остронаправленной сканирующей диаграммой направленности плоской антенной решетки основного канала в области боковых лепестков.
x
y
x
y
Рассмотрим N=M×M - элементную плоскую цифровую антенную решетку с прямоугольной формой раскрыва. АЭ 1 размещены в узлах прямоугольной сетки с шагом d и d вдоль соответствующего координатного направления (фигура 2).
Пусть остронаправленная сканирующая диаграмма направленности плоской антенной решетки основного канала описывается выражением:
0
где f(u, ν) - диаграмма направленности одиночного антенного элемента плоской антенной решетки;
<mrow><msub><mi>A</mi><mrow><msub><mi>m</mi><mi>x</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>B</mi><mrow><msub><mi>m</mi><mi>y</mi></msub></mrow></msub></mrow>
mx
mx
и
- амплитуды антенных элементов в центральных ортогональных линейках плоской антенной решетки с координатами фазовых центров (x, 0) и (0, y) соответственно;
<mrow><msub><mi>ψ</mi><mrow><msub><mi>m</mi><mi>x</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>γ</mi><mrow><msub><mi>m</mi><mi>y</mi></msub></mrow></msub></mrow>
и
- фазы антенных элементов в центральных ортогональных линейках плоской антенной решетки.
Тогда для описания слабонаправленной диаграммы направленности может быть использовано выражение:
o
c
c
o
бок
бок
Предположим, что C - норма остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки основного канала. Тогда C - норма слабонаправленной диаграммы направленности. Очевидно, что для формируемых диаграмм направленности выполняется соотношение C<C, что обусловлено различным числом антенных элементов в раскрыве. Однако в области боковых лепестков Ω остронаправленной сканирующей диаграммы направленности, как видно из приведенных формул, может выполняться соотношение, показывающее, что уровень ненормированной компенсационной диаграммы направленности превышает уровень ненормированной остронаправленной сканирующей диаграммы направленности в области боковых лепестков θ, φ∈Ω:
o
Неравенство (3) выполняется в широком секторе углов при уменьшении нормы C, т.е. в том случае, когда луч основного канала становится шире, а уровень боковых лепестков в ортогональных линейках ниже. В результате можно выбрать такое амплитудное распределение в раскрыве плоской антенной решетки, при котором требуемое превышение уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки основного канала будет достигаться во всей области наблюдения (исключая область главного луча). Следовательно, выполнение неравенства (3) может быть связано с коэффициентом направленного действия плоской антенной решетки основного канала.
Компенсационная диаграмма направленности плоской антенной решетки формируется в виде разности
к
к
0
0
0
Особенность формируемой компенсационной диаграммы направленности (фигуры 5, 6, 8-10) состоит в том, что диаграмма направленности F(θ, φ) имеет вид двух пересекающихся одномерно расширенных лучей с нулем в направлении источника сигнала F(θ, φ)=0, то есть в области, занимаемой главным лепестком остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки основного канала F(θ, φ), сформирован провал.
На выходах линейных трактов после суммирования сигналов от АЭ 1 в БС 4, 5 присутствуют соответственно составляющие сигнала, помехи и шумов, связанные со слабонаправленной и остронаправленной ДН соответственно.
В БВК 6 хранится весовой коэффициент C, соответствующий отношению значений норм сигналов остронаправленной сканирующей и слабонаправленной диаграмм направленности плоской антенной решетки при ориентации луча плоской антенной решетки в направлении нормали к плоскости раскрыва, который описывается выражением вида:
c
0
c
Как сказано выше, он определяется при отладке и настройке плоской антенной решетки и в процессе работы остается постоянным. Сигнал, соответствующий весовому коэффициенту C, поступает на вход БУ 7, в котором формируется сигнал, равный произведению F(θ, φ)·С/C.
В соответствии с выражением (4) на выходе БВ 8 формируется сигнал, соответствующий компенсационной диаграмме направленности, как разность сигналов: сигнала, соответствующего уровню слабонаправленной диаграммы направленности, умноженного на весовой коэффициент, и сигнала, соответствующего уровню остронаправленной сканирующей диаграммы направленности.
Чувствительность приемной системы уменьшается тем сильнее, чем выше величина C. Действительно, при формировании компенсационной ДН множитель C влияет на амплитуду шумов в компенсационном канале. Поэтому при C>1 происходит рост уровня шумов и соответственно снижение чувствительности приемной системы с компенсатором помех.
Уменьшение коэффициента передачи C может быть достигнуто путем увеличения коэффициента направленного действия слабонаправленной антенны. Однако такой подход ограничивает применение приемной системы только той областью углов, в которую ориентирован луч слабонаправленной антенны. В итоге в теории и практике подобных систем сложилось противоречие между стремлением бороться с произвольно ориентированной помехой и сохранением чувствительности приемной системы. Следовательно, возникает задача ограничения коэффициента передачи C или формирования превышения слабонаправленной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности антенной решетки W:
Выбор амплитудного распределения для антенных элементов антенной решетки связан с величиной W. Чем больше величина W, тем ниже должен быть уровень боковых лепестков в остронаправленной сканирующей диаграмме направленности. Данное требование связано с величиной порога обнаруживаемого сигнала над уровнем помех при заданных вероятности правильного обнаружения и вероятности ложной тревоги.
Возможность компенсации помех во всем секторе углов при требуемом превышении уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности проверялась на примере плоской антенной решетки. В качестве заданной величины W выбрано W=10 дБ.
Были рассчитаны объемные диаграммы направленности для 32×32-элементной плоской антенной решетки с антенными элементами, размещенными в узлах прямоугольной сетки с шагом 0,5λ. Диаграммы направленности остронаправленной сканирующей и компенсационной диаграмм направленности плоской антенной решетки, полученные в результате численных исследований, приведены на фигурах 3-9.
Для неотклоненного луча на фигуре 3 приведена объемная остронаправленная сканирующая диаграмма направленности плоской антенной решетки с амплитудным распределением «косинус на пьедестале 0,1», на фигуре 4 - объемная слабонаправленная диаграмма направленности, на фигуре 5 - объемная компенсационная диаграмма направленности, а на фигуре 6 - главные сечения объемной остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки (пунктирная кривая), объемной слабонаправленной диаграммы направленности (штрихпунктирная кривая) и объемной компенсационной диаграммы направленности (сплошная кривая).
0
0
Отклонению луча в направлении (θ=40°, φ=20°) соответствуют графики, приведенные на фигурах 7-9: на фигуре 7, 8 - объемные остронаправленная сканирующая и компенсационная диаграммы направленности плоской антенной решетки соответственно, на фигурах 9, 10  сечения в главных плоскостях объемной диаграммы направленности плоской антенной решетки (пунктирная кривая), объемной слабонаправленной диаграммы направленности (штрихпунктирная кривая) и объемной компенсационной диаграммы направленности (сплошная кривая).
На фигурах 11, 12 отмечены пространственные (темные) области, в которых наблюдается требуемое превышение 10 дБ уровня компенсационной диаграммы направленности антенны над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки.
Из анализа приведенных на фигурах 11, 12 результатов следует, что требуемое превышение компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности обеспечивается во всем секторе сканирования.
Рассмотрена реализация предложенного способа в радиолокационном комплексе обнаружения и сопровождения целей, где одним из условий получения заданных точностных характеристик системы являлось подавление помехового сигнала в приемном тракте на определенный (требуемый) техническим заданием уровень. Использование в качестве приемной антенны цифровой антенной решетки позволило реализовать остронаправленную сканирующую и слабонаправленную диаграммы направленности с помощью одного раскрыва, что привело к уменьшению массы и габаритных размеров антенной решетки и повысило оперативность работы комплекса. Применение многоканального модуля цифровой обработки сигнала, параллельно формирующего канал компенсатора помех и каналы обработки радиолокационной информации, позволило реализовать требуемый уровень превышения уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки основного канала и обеспечить подавление пространственных помех в произвольном направлении. Сказанное подтверждается результатами натурного эксперимента с использованием фрагмента антенной решетки S-диапазона размером 24 на 8 антенных элементов.
Описанная выше возможность реализации данного способа на основе фрагмента антенной решетки радиолокационного комплекса обнаружения и сопровождения целей обеспечивает ему критерий «промышленная применимость».
Анализ полученных результатов подтверждает правильность заложенных идей, то есть возможность реализации способа формирования компенсационной диаграммы направленности в плоской антенной решетке с электронным управлением лучом, при котором обеспечивается требуемое превышение уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки, в широком секторе углов, а также формирование нуля компенсационной диаграммы направленности при постоянном отношении норм остронаправленной сканирующей и слабонаправленной диаграмм направленности.