МНОГОЧАСТОТНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ РАДИОИМПУЛЬСОВ
MULTIFREQUENCY ANTENNA ARRAY FOR GENERATION OF RADIO PULSE SEQUENCE IN SPACE

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиоэлектронного подавления с помощью заградительной по частоте помехи.
Известное устройство - «Сканирующая антенна» [1] с монотонным изменением частот сигналов по элементам, предназначенная для автоэлектронного сканирования диаграммы направленности (ДН) антенны, которая содержит систему формирования когерентной сетки частот (СФСЧ) и эквидистантную линейную антенную решетку (ЛАР), состоящую из N излучающих элементов. Частоты сигналов по элементам решетки от 1-го до N-го располагаются в порядке возрастания или убывания частоты, а величина дискрета частоты (минимального интервала между частотными компонентами) Δf для любых двух соседних элементов ЛАР является постоянной величиной. При этом разность фаз между двумя соседними элементами ЛАР равна 2πΔft рад (где t - время), в результат чего происходит автоэлектронное сканирование ДН.
Основной недостаток, который не позволяет использовать эту решетку для формирования заградительной по частоте помехи - линейчатый спектр излучаемого сигнала с дискретом частоты Δf. Создание заградительной по частоте помехи невозможно, поскольку полоса частот приемника подавляемого устройства может быть меньше дискрета частоты Δf.
Общие признаки аналога и изобретения: одинаковые элементы схемы системы формирования когерентной сетки частот (СФСЧ) и многочастотная антенная решетка (МЧАР), а также принцип формирования сигнала - суперпозиция разночастотных сигналов в пространстве.
Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является МЧАР для формирования последовательности импульсных сигналов в пространстве [2], которая выбрана в качестве прототипа изобретения, структурная схема которой приведена на фиг.1. Прототип содержит систему формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот (1), МЧАР, которая состоит из N излучающих элементов (2) (N>2), N управляемых фазовращателей (3), системы управления фазовращателями (4). Причем входы излучающих элементов (2) соединены с выходами управляемых фазовращателей (3), управляющие выходы фазовращателей (3) соединены с выходом системы управления фазовращателями (4), выходы системы формирования когерентной сетки частот (1) соединены с входами управляемых фазовращателей (3) так, что сигналы с различными частотами распределены по элементам решетки по случайному закону. За счет случайного распределения частот сигналов по элементам апертуры направление максимума ДН, формируемого МЧАР, фиксировано в пространстве (при N>2).
cp
cp
u
Fmax
Направление максимума ДН МЧАР, как и у традиционных фазированных антенных решеток (ФАР), определяется детерминированным фазовым распределением сигнала по элементам апертуры и может изменяться с помощью управляемых фазовращателей (3). При этом ширина ДН МЧАР в одной плоскости по половинной мощности Θ≈λ/D определяется средней длиной волны λ многочастотного сигнала и линейным размером апертуры МЧАР в этой плоскости - D. Длительность импульса, формируемого МЧАР - τ, зависит от ширины полосы многочастотного сигнала Δ
Период повторения импульсов Т обратно пропорционален дискрету частоты Т=1/Δf, а частота повторения импульсов равна дискрету частоты. При этом длительность и частота повторения импульсов не зависят от размера апертуры и случайного закона распределения частот сигналов по излучателям МЧАР.
На фиг.2 приведено двумерное пространственно-временное распределение (ПВР) интенсивности и последовательности радиоимпульсов, сформированное прототипом в зависимости от азимутального угла, выраженного в радианах, и от времени, выраженного в наносекундах. Расчеты выполнены для дальней зоны излучения МЧАР при следующих начальных условиях:
2
- плоская МЧАР с числом элементов N=5×5 и размерами D×D=2,5×2,5 м;
max
u
- рабочая полоса частот ΔF=906-1194 МГц и соответствующая полосе длительность формируемого импульса τ=3 нс;
- величина дискрета частоты Δf=12 МГц и соответствующий ей период повторения импульсов T~83,33 нс;
ср
- средняя частота излучаемого сигнала f=1050 МГц.
Интенсивность суммарного сигнала, создаваемого МЧАР, состоящей из изотропных элементов, в любой точке пространства может быть определена следующим соотношением:
где ,  - сигналы, излучаемые j-м и m-м элементами МЧАР, соответственно;
,  - комплексные передаточные функции среды распространения от j-го и m-го элементов МЧАР до заданной в пространстве точки;
N - число элементов МЧАР;
j
m
Ψ, Ψ - начальные фазы сигналов, излучаемых элементами МЧАР;
Гj
j
j
Гm
m
m
Ψ=kr, Ψ=kr - набеги фазы на трассе распространения сигналов от j-го и m-го элементов МЧАР до заданной в пространстве точки;
j
m
k, k - волновые числа;
j
m
r, r - расстояние от j-го и m-го элементов МЧАР до заданной в пространстве точки;
j,
m
j
j
ωω - циклические частоты сигналов, излучаемых j-м и m-м элементами МЧАР, ω=2πf.
Сечение ПВР в нулевой момент времени плоскостью, параллельной апертуре, является ДН МЧАР, а сечение ПВР плоскостью, перпендикулярной оси МЧАР, представляет форму импульсного сигнала, формируемого этой решеткой.
Таким образом, МЧАР совмещает функции излучающей системы и пространственного импульсного модулятора. Использование МЧАР для пространственного формирования широкополосных и сверхширокополосных сигналов позволяет, во-первых, обеспечить согласование генераторов с излучателями, поскольку каждый элемент такой антенны является узкополосным, а во-вторых, сформировать практически любую заданную форму фазочастотной характеристики МЧАР, например линейную.
Основным недостатком прототипа, с точки зрения создания заградительной по частоте помехи, является то, что МЧАР формирует в пространстве последовательности импульсных сигналов с линейчатым спектром и дискретом частоты Δf, равным частоте повторения импульсов.
Создание заградительной по частоте помехи с помощью прототипа невозможно, поскольку полоса частот приемника подавляемого устройства может быть меньше дискрета частоты Δf.
На фиг.3 показан фрагмент спектра последовательности радиоимпульсов, формируемой прототипом, расчеты выполнены с помощью преобразования Фурье.
Общие признаки изобретения и прототипа: система формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот (СФСЧ) (1), N излучающих элементов (2), N управляемых фазовращателей (3), системы управления фазовращателями (4). Кроме того, входы излучающих элементов (2) соединены с выходами управляемых фазовращателей (3), управляющие выходы фазовращателей (3) соединены с выходом системы управления фазовращателями (4), выходы системы СФСЧ (1) соединены с входами управляемых фазовращателей (3) так, что сигналы с различными частотами распределены по элементам решетки по случайному закону.
Техническим результатом изобретения является создание МЧАР с заградительной по частоте помехой в заданной полосе частот при излучении последовательности радиоимпульсов с заданными длительностью и частотой повторения.
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что все разночастотные сигналы, излучаемые элементами МЧАР, модулируются по частоте по одинаковому закону, который может быть как регулярным, так и случайным (например, модуляция белым шумом). Вследствие этого МЧАР излучает импульсные сигналы с качающейся несущей частотой, что является одним из отличительных признаков изобретения.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.4 представлена блок-схема заявляемой МЧАР, на которой введены обозначения: 1 - система формирования когерентной сетки частот (СФСЧ); 2 - излучатели; 3 - управляемые фазовращатели (УФ); 4 - система управления фазовращателями (СУФ); 5 - балансный смеситель (БСм); 6 - полосовой фильтр (ПФ); 7 - генератор, управляемый напряжением (ГУН); 8 - генератор сигналов заданной формы (ГСФ) с полосой формируемого сигнала не более 10% от величины девиации частоты.
На фиг.5 приведено в прямоугольной системе координат пространственно-временное распределение интенсивности последовательности радиоимпульсов, в зависимости от азимутального угла, выраженного в радианах и от времени выраженного в наносекундах, сформированное заявляемым устройством. Интенсивность нормирована по максимуму.
На фиг.6 приведен фрагмент частотного спектра последовательности радиоимпульсов, формируемой заявляемым изобретением, рассчитанный в координатах: частота (в мегагерцах) - амплитуда (нормированная по максимальному значению для сигнала без качающейся несущей), расчеты выполнены с помощью преобразования Фурье.
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что МЧАР содержит: систему формирования когерентной сетки частот (СФСЧ) 1, N излучателей 2, где N больше двух, N управляемых фазовращателей (УФ) 3, систему управления фазовращателями (СУФ) 4, N балансных смесителей (БСм) 5, N полосовых фильтров (ПФ) 6, генератор, управляемый напряжением (ГУН) 7 и генератор сигналов произвольной формы (ГСФ) 8 (фиг.4).
МЧАР может быть выполнена линейной, плоской или конформной.
СФСЧ 1 может быть выполнена на основе, например, типовых синтезаторов частоты VMK-2401 - VMK-2403 (разработка ФГУП НИИПИ «Кварц»), работающих от общего опорного генератора, в качестве которого может использоваться типовой рубидиевый стандарт частоты.
Излучатели 2 могут быть выполнены в виде, например, спиральных или рупорных антенн.
УФ 3 может быть выполнен, например, ферритовым с входом и выходом СВЧ сигнала и входом управляющего сигнала.
СУФ 4 может быть выполнен на основе компьютера.
БСм 5 может быть выполнен по известной схеме смесителей с входом и выходом СВЧ сигнала и входом сигнала модуляции.
ПФ 6 может быть выполнен по известным схемам полосовых фильтров с входом и выходом СВЧ сигнала.
ГУН 7 может быть выполнен по известным схемам генераторов, управляемых напряжением.
Генератор сигналов заданной формы (ГСФ) 8 с полосой формируемого сигнала не более 10% от величины девиации частоты может быть выполнен по известным схемам генераторов, например, синусоидальных сигналов, случайных сигналов или сигналов специальной формы.
N выходов СФСЧ соединены с соответствующими входами СВЧ сигналов УФ 3 по случайному закону.
Выход СУФ 4 соединен с соответствующим входом управляющего сигнала каждого УФ 3.
Каждый выход СВЧ сигнала УФ 3 соединен с входом СВЧ сигнала соответствующего БСм 5.
Выход ГСФ 8 соединен с входом ГУН 7, выход которого соединен с входом модулирующего сигнала каждого БСм 5.
Выходы СВЧ сигналов БСм 5, через свои ПФ 6 соединены с входами соответствующих излучающих элементов 2.
01
0N
0
чм
чм
0j
0
чм
0
чм
МЧАР по изобретению работает следующим образом (фиг.4): когерентные сигналы с частотами f-f (N - количество элементов МЧАР), сформированные СФСЧ 1, через УФ 3 поступают на БСм 5, на которых смешиваются с сигналом с выхода ГУН 7, имеющего частоту f+f (t). Закон, по которому происходит изменение частоты f(t) во времени, определяется ГСФ 8. Максимальная девиация частоты не должна превышать половину минимального частотного дискрета. В результате на выходе j-го балансного смесителя (j=1…N) появляется сигнал, спектр которого состоит из комбинационных частот f; ±(f+f(t)); ±2(f+f(t)); …
0j
0
чм
j
чм
0j
0
чм
j
чм
j
чм
На выходах БСм 5 включены ПФ 6, выделяющие в зависимости от условий технической реализации сигнал со спектром f+f+f(t)=f+f(t) или f-f-f(t)=f-f(t). Дальше будем для определенности рассматривать сигнал верхней боковой полосы f+f(t).
Сигналы с выходов ПФ поступают на входы излучающих элементов (2) МЧАР.
чм
ЧМ
Д
j
j
В случае, если f(t) изменяется по синусоидальному закону ω(t)=ωcosΩt, напряженность сигнала E(t) с j-й частотой ω=2πf, создаваемая МЧАР в некоторой точке пространства, может быть представлена без учета фазы в виде:
,
д
д
где m=ω/Ω - индекс угловой модуляции; ω - девиация частоты; Ω - модулирующая частота.
Выражение (1) разлагается в ряд Фурье-Бесселя:
0j
0
j
1
j
j
Ecos(J(m)cosωt+J(m)(cos(ω+Ω)t-cos(ω-Ω)t)-
2
j
j
-J(m)(cos(ω+2Ω)t-cos(ω-2Ω)t)+
3
j
j
+J(m)(cos(ω+3Ω)t-cos(ω-3Ω)t)-…)
n
где J(m) - функция Бесселя первого рода n-го порядка от аргумента m.
чм
чм
чм
Таким образом, дискрет частоты спектра сигнала, излучаемого МЧАР, в данном случае будет определяться модулирующей частотой Ω. Очевидно, что если f(t) изменяется по периодическому закону, тогда дискрет спектра будет обратно пропорционален периоду. Для непериодического закона изменения f(t) дискрет будет определяться минимальной частотой в спектре f(t).
0j
j
При этом, поскольку все сигналы с частотами f, поступающие из СФСЧ, модулируются одной и той же частотой по одинаковому закону, сигналы с частотами f, излучаемые МЧАР остаются когерентными, а значит, не разрушается форма излучаемого импульса. Наличие частотной модуляции в элементах МЧАР позволяет формировать в пространстве импульсные сигналы со спектром сигнала, близким к сплошному и с заданным интервалом между соседними спектральными компонентами много меньшим частоты повторения импульсов, формируемых решеткой. Если сигналы, излучаемые элементами решетки, имеют одинаковую амплитуду, несущая частота сформированного в пространстве импульсного сигнала может быть определена как , поэтому можно говорить о сигнале с качающейся несущей частотой.
д
j
Пространственно-временное распределение интенсивности суммарного сигнала, формируемого заявляемой МЧАР с качающейся несущей частотой в зависимости от времени и пространственных координат, рассчитанное при тех же начальных условиях, что и на фиг.2, при частотной модуляции всех компонент сигнала по синусоидальному закону с модулирующей частотой Ω/2π=0,3 МГц и девиацией ω/2π=6 МГц приведено на фиг.5. Частоты f спектра сигнала равны частотам на фиг.2.
j
j+1
Фрагмент частотного спектра заградительной помехи при синусоидальной частотной модуляции показан на фиг.6. Сравнение спектров на фиг.2 и фиг.6. показывает, что устройство, полоса приемника которого для данного конкретного случая меньше 6 МГц может без помех работать между спектральными компонентами прототипа, например между частотами f=1038 МГц и f=1050 МГц (фиг.2). В то же время для случая МЧАР с качающейся несущей частотой при Ω/2π=0,3 МГц возможно создание помехи для устройства с полосой приемника большей, чем 0,3 МГц, но меньшей, чем 6 МГц. Выбирая значение модулирующей частоты при проектировании, можно добиться создания помехи в сколь угодно узкой полосе.
При шумоподобной модуляции спектр излучаемого сигнала близок к сплошному спектру.
Многочастотная антенная решетка (МЧАР) по изобретению выполнена плоской в соответствии со структурной схемой Фиг.4.
Число излучающих элементов МЧАР выбрано N=5×5 и размеры ее апертуры D×D=2,5×2,5 м.
max
u
Рабочая полоса частот ΔF=906-1194 МГц, длительность формируемого импульса τ=3 нс.
Величина частотного дискрета Δf=12 МГц и соответствующий ей период повторения импульсов T~83,33 нс.
ср
Средняя частота излучаемого сигнала f=1050 МГц.
Генератор ГСФ 8 генерирует сигнал синусоидальной формы, полоса формируемого сигнала составляет в 8% от величины девиации частоты.
СФСЧ 1 выполнен на основе синтезаторов частоты VMK-2401, работающих от общего опорного генератора, в качестве которого использован типовой рубидиевый стандарт частоты типа А-1050.
Излучатели 2 выполнены в виде рупорных антенн фирмы R&S с коэффициентом усиления 10-14 дБ и волновым импедансом 50 Ом.
УФ 3 выполнен в виде дискретных 6-секционных фазовращателей с минимальным дискретом фазы 5,5 градуса с коммутаторами на p-i-n диодах типа 2А561А-3, управление коммутаторами осуществляется с помощью компьютера.
СУФ 4 выполнен на основе компьютера, при этом управление ДН МЧАР осуществляется программно.
БСм 5 может быть выполнен по известной схеме с входом и выходом СВЧ сигнала и входом сигнала модуляции.
ПФ 6 с шириной рабочей полосы не менее 12 МГц по уровню -3 дБ выполнен на основе полуволновых и четвертьволновых коаксиальных шлейфов.
ГУН 7 выполнен по известной схеме генератора, управляемого напряжением.
ГСФ 8 выполнен по известной схеме генератора случайных сигналов.
ЧМ
Вследствие частотной модуляции интервал между соседними частотными компонентами спектра, излучаемого МЧАР, определяется минимальной частотой в спектре сигнала f(t) и выбран малым на столько, на сколько это требуется для постановки заданной заградительной по частоте помехи.
0j
При этом, поскольку все сигналы с частотами f, поступающие из СФЧС 1, модулируются одной и той же частотой по одинаковому закону, поэтому сигналы, излучаемые МЧАР, остаются когерентными.
Технический результат изобретения достигнут, так как наличие частотной модуляции в элементах МЧАР позволяет формировать в пространстве импульсные сигналы с качающейся несущей частотой и интервалом между соседними спектральными компонентами, много меньшим частоты повторения импульсов, формируемых решеткой, что позволяет создавать заградительную по частоте помеху. При этом частотная модуляция не разрушает форму импульсного сигнала и не изменяет положения максимума ДН в пространстве.
Отличительные признаки изобретения
Введены N балансных смесителей (5), N полосовых фильтров (6), генератор, управляемый напряжением (7), генератор сигналов произвольной формы (8).
Каждый выход СВЧ сигнала управляемого фазовращателя (3) соединен с входом СВЧ сигнала соответствующего балансного смесителя (5), кроме того, выход генератора сигналов произвольной формы (8) соединен с входом генератора, управляемого напряжением (7), выход которого соединен с входом сигнала модуляции соответствующего балансного смесителя (5).
Выходы СВЧ сигналов балансных смесителей (5) через свои полосовые фильтры (6) соединены с входами соответствующих излучающих элементов (2).
Источники информации
1. Сканирующая антенна, заявка 2153076, Франция, публикация 1973 г., 1 июня.
2. Воробьев Н.В., Грязнов В.А. Многочастотная антенная решетка для формирования последовательности импульсных сигналов в пространстве: патент RU №2280930 по заявке 2004101937, H01Q 21/00. Приоритет от 2004.01.27.