СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНО ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ЦЕНТРА РАСКРЫВА ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
METHOD OF FORMING DIRECTIONAL PATTERN, RELATIVE GEOMETRICAL CENTRE OF APERTURE OF PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области фазированных антенных решеток (ФАР) с электронным сканированием луча, в частности к системам управления лучом и формирования диаграммы направленности (ДН) относительно геометрического центра раскрыва ФАР с повышенной разрешающей способностью сканирования луча в заданном секторе пространства.
х
у
Известен способ формирования ДН и управления лучом ФАР по алгоритму, приведенному в работах [1, 2], в соответствии с которым, для установки оси луча антенны в направлении θ, θ фазируемый элемент антенны с номером mn, находящийся на пересечении m-й строки и n-го столбца, должен излучать/принимать электромагнитные колебания с фазой
где
x
y
d и d - расстояния между столбцами и строками;
λ - длина волны;
mn
W - индивидуальная фазовая поправка данного фазируемого элемента для коррекции и изменения фазового распределения в апертуре ФАР.
р
1
2
При дискретном фазировании (использовании Р-разрядных фазовращателей) дискрет минимальной управляемой фазы для крайнего фазируемого элемента составит величину Δφ=2π/2 и определит минимальное значение дискрета сканирования Δθ максимума ДН между двумя положениями луча θ, θ на примере антенной линейки излучателей (Фиг.1).
p
1
2
Δφ=2π/2=2πD/λ(cosθ-Cosθ),
где D - длина антенной линейки.
Тогда величина дискрета Δθ шага сканирования луча антенны определится как
Для антенных решеток (АР) с пеленгационными характеристиками, с формированием суммарно-разностной диаграммы направленности (моноимпульсный метод), возникает необходимость совмещения фазового центра синфазного фронта ДН электромагнитной волны с геометрическим центром раскрыва АР. Аналогичные требования возникают также в радиолокаторах с синтезированной апертурой (РСА). Во всех таких случаях непосредственное прямое исполнение алгоритма (1) для расчета требуемых фазовых сдвигов, начиная с геометрического центра раскрыва ФАР, приводит к уменьшению количества дискретов сканирования в секторе обзора ФАР (к увеличению величины Δθ), то есть к снижению разрешающей способности сканирования ФАР (см. Фиг.2).
ij
За прототип изобретения принят способ формирования ДН, реализованный в работе [3], где фазируемый элемент с номером ij, находящийся на пересечении J-й строки и I-го столбца координатной сетки, должен излучать или принимать электромагнитные колебания с фазой φ, рассчитанной начиная с геометрического центра раскрыва АР для обеспечения пеленгационных характеристик описываемых ФАР.
xi
где φ - составляющая угловой отклоняющей фазы по координатной оси X для элементов I -го столбца,
yj
φ - составляющая угловой отклоняющей фазы по координатной оси Y для элементов J -й строки,
ij
F - индивидуальная фазовая поправка данного фазируемого элемента для коррекции и изменения фазового распределения в апертуре ФАР.
ij
1
2
р
р
Недостатком приведенного способа реализации алгоритма (3) формирования ДН является отсутствие возможности повышения разрешающей способности сканирования луча ФАР для антенных решеток с использованием равносигнальной зоны с моноимпульсным методом обработки. Действительно, при расчете фазовых сдвигов φ элементов АР, начиная с геометрического центра раскрыва, при отклонении ДН от нормали апертуры, равноудаленные, крайние от центра симметричные элементы АР, имеющие одинаковые минимальные сдвиги фаз (Δφ=2π/2) с противоположными знаками, определят минимальную величину Δθ (Фиг.2). Это обстоятельство означает, что при формировании ДН от геометрического центра раскрыва АР, шаг дискрета сканирования луча Δθ увеличивается в два раза по сравнению с методом формирования ДН, рассчитывающим сдвиги фаз элементов от начала раскрыва АР (Фиг.1). Из Фиг.2 видно, что длина антенной линейки для расчета фазовых сдвигов элементов составит величину D/2. Тогда величина дискрета сканирования Δθ по выражению (2) определится как Cosθ-Cosθ=2λ/2D, что соответствует удвоению величины дискрета сканирования Δθ относительно расчета фаз от начала линейки АР. Таким образом, при расчете фазовых сдвигов элементов АР от ее геометрического центра по алгоритму (3) прототипа происходит как бы, уменьшение электрической длины АР по управлению лучом, что увеличивает величину дискрета сканирования Δθ, то есть приводит к уменьшению разрешающей способности сканирования луча АР. Все вышеприведенные расчеты для антенной линейки справедливы и для двумерных ФАР.
Техническим результатом изобретения является повышение разрешающей способности сканирования луча ФАР при формировании ее ДН относительно геометрического центра раскрыва ФАР.
(гц),
(гц)
xi
yj
yj
0
0
Технический результат достигается тем, что способ содержит дополнительные слагаемые угловых отклонений фазы  рассчитанных для координат геометрического центра раскрыва ФАР IJ с противоположными знаками соответственно величинам φ, φ так, чтобы центр фазового распределения ДН всегда совпадал с геометрическим центром раскрыва ФАР, кроме того, начало координат расчета требуемых фазовых сдвигов φ элементов ФАР выбирается на начальном участке апертуры ФАР, например на пересечении нулевой строки J и нулевого столбца I координатной сетки элементов в апертуре.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается наличием дополнительных слагаемых в алгоритме вычисления требуемых фазовых сдвигов элементов ФАР, в результате использования которых центр синфазного фронта фазового распределения совпадает с геометрическим центром раскрыва АР при сохранении высокой разрешающей способности сканирования ДН.
xi(гц)
0
0
На Фиг.1 представлено графическое изображение формирования ДН на примере антенной линейки излучателей при расчете требуемых фазовых сдвигов начиная с начала антенной линейки. На Фиг.2 представлено графическое изображение формирования ДН на примере антенной линейки излучателей при расчете требуемых фазовых сдвигов начиная с геометрического центра раскрыва антенной линейки. На Фиг.3 представлено графическое изображение формирования ДН на примере антенной линейки излучателей при расчете требуемых фазовых сдвигов начиная с начала раскрыва (штриховые линии фронтов фазового распределения) антенной линейки по предлагаемому способу. Показана угловая отклоняющая фазовая подставка 4 (φ) для смещения центра фазового фронта до геометрического центра раскрыва антенной линейки 1. На Фиг.4 показана двумерная антенная решетка, где за начало расчета фазовых сдвигов принято начало координатной сетки IJ элементов в апертуре ФАР по предлагаемому способу. На рисунках представлены антенная линейка излучателей 1 с элементами 2 антенной линейки, сформированный фронт фазового распределения 3, угловая отклоняющая фазовая подставка 4 для смещения центра фазового фронта до геометрического центра раскрыва, двумерная фазированная антенная решетка 5 и ее геометрический центр раскрыва 6. Фронты фазовых распределений 3 на рисунках обозначены в виде прямых линий, на самом деле при дискретном фазировании они имеют вид «пилы», что не влияет на суть рассматриваемого предложения.
(гц)
(гц)
xi(гц)
(гц)
xi
Сущность предлагаемого способа формирования ДН относительно геометрического центра раскрыва ФАР при сохранении высокой разрешающей способности сканирования луча заключается в следующем. Как показано выше, при реализации алгоритма (3) формирования фронта фазового распределения 3 от начала антенной линейки 1 (Фиг.1) мы получаем минимальное значение дискрета сканирования Δθ луча, то есть максимальную разрешающую способность сканирования антенны. Однако при расчете фазовых сдвигов элементов 2 от геометрического центра I антенной линейки 1, применение алгоритма (3) приводит к ухудшению разрешающей способности антенны 1, примерно в два раза (Фиг.2), к увеличению значения Δθ. Предлагаемый способ формирования ДН призван сохранить высокую степень разрешающей способности антенны 1 при расчете фазовых сдвигов элементов 2 от геометрического центра раскрыва с координатой I (Фиг.3). В этом возникает необходимость при разработке ФАР с пеленгационными характеристиками и РСА. Для этого в алгоритме (3) дополнительно вводится слагаемое угловой отклоняющей фазовой подставки 4 в виде угловой отклоняющей фазы φ, вычисляемая в соответствии с выражением (4) только для элемента с координатами геометрического центра I антенной линейки 1 с противоположной величиной знака от угловой отклоняющей фазы φ,
При этом вычисление требуемых фазовых сдвигов элементов 2 антенной линейки 1 осуществляется начиная с начала раскрыва антенны 1.
yj(гц)
yj
Для двумерной ФАР (Фиг.4) добавляется угловая отклоняющая фазовая подставка φ, вычисляемая по координатной оси Y, с противоположной величиной знака, относительно угловой отклоняющей фазы φ
(гц)
(гц)
xi
yj
xi
yj
Геометрический центр раскрыва 6 для двумерной АР 5 имеет координаты I, J. Надстрочные черточки величин  обозначают инвертирование значений знаков соответственно величин φ, φ или имеют противоположные величины знаков относительно угловых отклоняющих величин фазовых сдвигов φ, φ.
В окончательном виде результирующее выражение по реализации предлагаемого способа формирования ДН относительно геометрического центра раскрыва ФАР будет иметь следующий вид
х
xi
у
yi
где составляющая углового отклонения фазы  (6), рассчитанная для геометрического центра ФАР по оси X, является одинаковой фазовой подставкой для всех элементов ФАР для данного направления луча θ с противоположным знаком величины φ; а составляющая углового отклонения фазы  (7), рассчитанная для геометрического центра ФАР по оси Y, является одинаковой фазовой подставкой для всех элементов ФАР для данного направления луча θ с противоположным знаком величины φ.
0
0
Таким образом, при дополнении алгоритма (3) составляющими ,  (8), центр фазового распределения формирования ДН всегда будет совпадать с геометрическим центром раскрыва ФАР при любых положениях луча с сохранением высокой разрешающей способности сканирования луча, присущей расчету фазовых сдвигов от начального участка апертуры с координатами I, J.
Для реализации предложенного способа не требуются дополнительные аппаратурные ресурсы. Реализация может осуществляться на том же вычислительном устройстве управления лучом ФАР, например на приведенном в (3) устройстве по структурной схеме блока управления лучом (Фиг.1).
Источники информации
1. Самойленко В.И., Шишов Ю.А. Управление фазированными антенными решетками. - М.: Радио и связь, 1983, с.165-199.
2. Шишов Ю.А. Управление диаграммой направленности радиолокационных фазированных антенных решеток. - Зарубежная радиоэлектроника, 1980, № 4, с.3-29.
3. Лоскутов Б.П., Незвинский А.Н., Петровский А.Е. Результаты разработки семейства блоков управления лучом, унифицированных для применения в различных фазированных решетках. - Антенны, вып.2 (93), 2005, с.48-50.