Способ формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки
METHOD FOR GENERATION OF EXPANDED BEAMS OF PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области антенной техники, в частности к способам управления формой диаграммы направленности (ДН) фазированной антенной решетки (ФАР).
При формировании диаграмм направленности специальной формы часто используются расширенные в одной из главных плоскостей лучи. В пассивных ФАР амплитудное распределение жестко ограничено параметрами распределительной системы. Поэтому все трансформации формы луча могут производиться только путем управления фазовым распределением в раскрыве ФАР. В таких условиях задача формирования лучей расширенной формы решается методами фазового синтеза.
Известен способ расширения луча на основе введения начального фазового распределения, когда к необходимому для управления лучом закону управления фазами сигналов в излучателях добавляют фазовые подставки, имеющие сферическую, параболическую или обобщенную полиномиальную формы [1 - Самойленко В.И., Шишов Ю.А. Управление фазированными антенными решетками. М.: Радио и связь, 1983, с. 129-142]. Так в многофункциональной антенной решетке при реализации квадратичного закона управления фазой ширина диаграммы направленности изменяется в несколько раз [2 - Бибарсов М.Р., Волошина В.А., Землянский С.В., Мануйлов Б.Д. и др. Исследование характеристик многофункциональной антенной решетки // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника, 2012, вып. 2, с. 3-9]. Недостатком способа, основанного на введении фазовой подставки, является то, что лучи, формируемые на его основе, обладают недостаточно высокой энергетической эффективностью, а с расширением луча растут и боковые лепестки.
0
0
1
1
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является «Способ формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки» (RU 2644456 С1, заявка №2016152832 от 30.12.2016г., опубл. 12.02.2018г., МПК H01Q 3/26). Он основан на определении амплитудно-фазового распределения в раскрыве фазированной антенной решетки, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении u, выборе пространственных положений парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности. Расширенную диаграмму направленности формируют тремя парциальными лучами, причем центральный парциальный луч ориентирован в заданном направлении u, а два боковых парциальных луча смещены в противоположных относительно центрального луча направлениях на угол u Значение угла u выбирают из решения оптимизационной задачи по критерию минимума
0
0
1
0
1
где ƒ(u - u), ƒ(u - u + u), ƒ(u - u - u) - соответственно диаграммы направленности центрального парциального и двух боковых парциальных лучей;
0
0
u=0,5kLsinθ - направление максимума формируемой диаграммы направленности и центрального парциального луча в обобщенных координатах;
1
1
u=0,5kLsinθ - смещение боковых парциальных лучей относительно максимума формируемой диаграммы направленности в обобщенных координатах;
а
- амплитуды отклоненных боковых парциальных лучей;
u=0,5kLsinθ - обобщенная координата;
L - размер раскрыва фазированной антенной решетки в плоскости формируемой расширенной диаграммы направленности;
k - волновое число,
определяют амплитуды боковых парциальных лучей в соответствии с выражением
а
1
1
1
1
-1
= (ƒ(Δ) - 0,707)(0,707(ƒ(u) + ƒ(-u)) - (ƒ(Δ + u) + ƒ(Δ - u))),
где
Δ - полуширина диаграммы направленности суммарного луча по уровню половинной мощности,
а результирующее амплитудно-фазовое распределение в раскрыве фазированной антенной решетки рассчитывают по формуле
0
1
1
0
1
a
а
A(x) = A(х) (1 +  (ехр(ikx sinθ) + exp(-ikx sinθ))) = A(x) (1 + 2 cos (kx sinθ)),
0
0
где А(х) - амплитудно-фазовое распределение в раскрыве, обеспечивающее формирование центрального парциального луча в направлении u.
Основными недостатками «Способа формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки», выбранного за прототип, являются:
- расширенная диаграмма направленности формируется всего тремя парциальными лучами, вследствие чего сформированный луч не обладает хорошей энергоэффективностью, поскольку его форма не является прямоугольной, особенно при больших коэффициентах расширения;
- для формирования расширенного луча требуется в раскрыве ФАР изменять как фазовое, так и амплитудное распределения, что ограничивает использование способа только активными ФАР;
- для определения углов направления парциальных лучей требуется решать оптимизационные задачи, что усложняет алгоритм поиска решения.
Задачей изобретения является управление фазовым распределением в раскрыве ФАР для формирования расширенных лучей диаграммы направленности фазированной антенной решетки.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение энергетической эффективности при формировании расширенной диаграммы направленности.
0
i
1
M-1
m
Сущность предлагаемого способа заключается в определении амплитудно-фазового распределения в раскрыве фазированной антенной решетки, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении u, формировании расширенной диаграммы направленности парциальными лучами, выборе пространственных положений парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности. Новыми признаками, обеспечивающими достижение заявленного технического эффекта, являются следующие: в фазированной антенной решетке с начальным синфазным распределением, излучатели которой имеют координаты x с соответствующей последовательной нумерацией от 1 до М, парциальные лучи формируются тарами соседних излучателей, пронумерованных в той же последовательности от 1 до (М-1). Амплитуды первого F и последнего F парциальных лучей образуются соответственно суммой амплитуды сигнала первого излучателя и половинного значения амплитуды второго, и суммой половинного значения амплитуды сигнала предпоследнего излучателя и амплитуды последнего. Амплитуды остальных парциальных лучей образуются суммами половинных значений амплитуд сигналов соответствующих соседних излучателей. Каждому парциальному лучу последовательно, в соответствии с номером парциального луча m выделяется угловой интервал Δu в обобщенных координатах u=sin(θ), где θ - угол относительно нормали к раскрыву, в соответствии с выражением:
где:
m - номер парциального луча;
n - текущий номер парциального луча;
ΔU - значение половины ширины расширенного луча по уровню половинной мощности,
n
F - текущая амплитуда парциального луча;
m
F - амплитуда парциального луча,
m
определяются координаты u середины углового интервала, выделяемого каждому парциальному лучу с номером m, в соответствии с выражением:
где
n
Δu - текущий номер углового интервала, в которые направляются соответствующие парциальные лучи, путём добавления к начальной фазе сигнала, проходящего через каждый излучатель, таким образом, что фаза первого излучателя не изменяется, а фазы всех последующих излучателей изменяются одновременно на величину, определяемую выражением:
где:
k = 2π/λ - волновое число;
i-1
i
i-1
=
Δx(x - x) - расстояние между координатами соседних излучателей с номерами i и (i-1).
На Фиг. 1 приведено разбиение линейной ФАР на парные подрешетки с учетом виртуального расщепления амплитуд, входящих в соседние подрешетки.
На Фиг. 2 представлена операция формирования расширенного луча посредством суперпозиции парциальных лучей, образованных парами соседних излучателей.
На Фиг. 3 показан процесс определения расположения n-ой угловой зоны и ее размеров, который можно наглядно отобразить при использовании соответствующих интегральных функций Р(х) и Ρ(u), выражающих энергетический баланс распределения энергии в раскрыве ФАР с одной стороны и угловом пространстве с другой.
На Фиг. 4 приведено равномерное фазовое распределение и, соответствующая ему, исходная ДН с нерасширенным лучом.
На Фиг. 5 приведено измененное фазовое распределение вдоль раскрыва, формирующее соответствующий расширенный луч.
Формирование расширенного луча фазированной антенной решеткой предлагаемым способом осуществляется следующим образом:
m
- с учетом заданного амплитудного распределения в раскрыве ФАР рассчитывают уровни парциальных лучей {F}, образованных парами соседних излучателей (Фиг. 1). Численно эти уровни равны сумме вкладов амплитуд соседних излучателей, формирующих парциальные лучи;
0
- задаются значениями половины ширины расширенного луча по уровню половинной мощности ΔU и направлением на центр расширенного луча u;
m
- определяют угловые интервалы {Δu}, соответствующие каждому парциальному лучу, используя выражение (1);
m
- определяют координаты середины каждого углового интервала {u}, выделяемому каждому парциальному лучу, используя выражение (2);
m
- определяют фазовое распределение {Δϕ}, формирующее секторный луч, используя выражение (3).
m
n
Требуемая форма луча обеспечивается за счет правильного расположения парциальных лучей с учетом их уровня. Энергия, излучаемая каждым m-ым элементом раскрыва, расположенным на интервале Δx, должна быть направлена в соответствующую m-ую угловую зону, и именно она должна определять плотность энергии в зоне Δu. Процесс определения расположения m-ой угловой зоны и ее размеров можно наглядно отобразить при использовании соответствующих интегральных функций Р(х) и Р(u), выражающих энергетический баланс распределения энергии в раскрыве ФАР с одной стороны и угловом пространстве с другой (Фиг. 3).
m
Уровень максимумов парциальных ДН F(0) определяется видом амплитудного распределения в раскрыве и местоположением пары соответствующих излучателей:
Ширина углового интервала, выделяемого каждому парциальному лучу (Фиг. 3), пропорциональна уровню парциального луча и определяется, выражением
min
0
Максимумы парциальных лучей должны быть направлены в центры соответствующих интервалов, поэтому они будут определяться в ыражением, учитывающим начало расширенного луча (u=u-ΔU) и размеры предыдущих угловых интервалов
m
Так, в случае эквидистантного расположения элементов, для установки парциальных лучей в направления {u} необходимо обеспечить сдвиг фаз на правых излучателях подрешеток на величину
m+1
m
Δφ =-kdu.
Очевидно, что фазы общих излучателей соседних подрешеток должны быть одинаковы (Фиг. 1). С учетом того, что фазу первого (самого левого) излучателя можно не изменять, искомая фаза излучателя с номером m (m>1) будет определяться формулой, учитывающей сдвиги фаз на предыдущих подрешетках
m
Полученное фазовое распределение {Δϕ} и будет формировать расширенный луч.
Поскольку амплитудная составляющая ДН ФАР не зависит от знака дополнительного фазового распределения в раскрыве, то, такой же расширенный луч будет формировать и фазовое распределение, взятое с противоположным знаком. Поэтому, существуют два фазовых распределения, отличающихся знаками фаз, формирующие один и тот же расширенный луч
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявленный способ имеет следующие отличительные свойства:
- используется большее число парциальных лучей, количество которых равно (М-1), где Μ - число излучателей ФАР, что позволяет обеспечить большую энергоэффективность (прямоугольность) формы расширенного луча;
- для формирования луча необходимо в раскрыве ФАР изменять только фазовое распределение, что позволяет использовать заявленный способ как в активных, так и в пассивных ФАР;
m
- для определения углов направления парциальных лучей {u} не требуется решать оптимизационные задачи.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявленный способ открывает значительные преимущества в использовании фазового синтеза секторных лучей, важнейшими из которых являются:
- возможность на основе известного амплитудного распределения в раскрыве и требуемой формы луча на основе простых алгебраических операций однозначно определять фазовое распределение;
- секторные лучи, полученные с использованием данного метода, обладают высокой энергетической эффективностью;
- рассматриваемый подход исключает необходимость решения оптимизационной задачи по критерию минимума, вместо этого предлагается использовать простые формулы, не требующие сложных вычислений;
- возможность реализации луча с требуемыми коэффициентами расширения непосредственно в ходе работы РЛС.