ФАЗИРУЕМАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С УПРАВЛЯЕМЫМИ СВЯЗЯМИ

Предлагаемая фазируемая антенная решетка (ФАР) с управляемыми связями относится к области антенн и может быть использована в радиотехнических устройствах с ФАР, работающих в сложных помеховых условиях.
Известны ФАР с не управляемыми (фиксированными) связями [1], в фидерные тракты которых вводились межэлементные связи для уменьшения глубины провалов в парциальных диаграммах направленности излучателей в составе ФАР. Такие связи в ФАР не могут быть использованы для подавления мешающих сигналов.
В [2] рассмотрена ФАР с управляемыми связями, применение которых позволяет осуществить подавление мешающих сигналов только от одного источника помех. Недостатком известной ФАР с управляемыми связями является то, что она не позволяет подавить мешающие сигналы, если число источников помех больше одного. Эта ФАР наиболее близка по технической сущности к предлагаемой ФАР и принята в качестве прототипа.
Схема прототипа изображена на Фиг. 1 и включает в себя N излучателей (1), N усилителей (2), блок формирования управляемых связей (БФУС) (3), N управляемых фазовращателей ФАР (4) и сумматор ФАР (5). При этом БФУС (3) содержит N входных делителей (6), входы которых являются соответствующими N входами БФУС и имеют по два выхода каждый; N выходных сумматоров (7), имеющих по два входа и одному выходу каждый, которые являются соответствующими N выходами БФУС; один блок формирования компенсационных диаграмм направленности БФКДН (8), который имеет N входов и N выходов. БФКДН состоит из N входных управляемых фазовращателей (9), входы которых являются соответствующими N входами БФКДН; N выходных управляемых фазовращателей (10), выходы которых являются соответствующими выходами БФКДН; сумматор (11), имеющий N входов и один выход, а также делитель (12) с одним входом и N выходами.
Недостатком прототипа является то, что при одновременном воздействии двух и более помеховых сигналов приходящих с разных направлений θ, такая ФАР перестает быть помехозащищенной.
Сущность предлагаемой ФАР заключается в том, что в нее дополнительно включаются (К-1) БФУС, схема которой представлена на Фиг. 2. Таким образом общее количество БФУС (3.1, 3.2, 3.К) в предлагаемой ФАР будет равно К. Необходимое количество БФУС т.е. число К зависит от требуемого уровня подавления помеховых сигналов. Каждый из К БФУС содержит N входных делителей (6А), которые имеют один вход, являющийся соответствующим входом БФУС, и (М+1) выходов; N выходных сумматоров (7А), имеющих каждый по (М+1) входу и одному выходу, которые являются соответствующими выходами БФУС. Кроме того, каждый из К БФУС включает в себя М БФКДН, где М максимальное заданное число источников помеховых сигналов. БФУС в количестве К штук включаются последовательно так, что N выходов каждого предыдущего БФУС подключаются к соответствующим N входам последующего БФУС.
N выходов последнего К-того БФУС подключаются через N управляемых фазовращателей ФАР (4) к соответствующим N входам сумматора ФАР (5), выход которого является выходом ФАР с управляемыми связями. При этом i-е выходы N входных делителей (6А) соединяются с соответствующими N входами i-го БФКДН (8.i), а выходы i го БФКДН (8.i) подключаются к соответствующим i-ми входам N выходных сумматоров (7А). При этом (М+1)-е выходы N входных делителей (6А) подключаются к соответствующим (М+1) входам N выходных сумматоров (6А).
Предлагаемая ФАР с управляемыми связями работает следующим образом.
Пусть в направлениях θi, где i изменяется от 1 до М, имеются М источников помеховых сигналов. На выходах излучателей (1) принятые амплитуды каждого из М помеховых сигналов будут одинаковыми, а их фазы будут иметь прогрессивный линейный набег, определяемый соотношением:
i фаз
x
i
ϕ=(2π n d/λ)sinθ
Принятые сигналы усиливаются усилителями (2) и поступают на входы БФУС (3.1), а именно на входы делителей (6А), где разделяются на (М+1) равных частей. С первых выходов N делителей (6А) сигналы поступают на соответствующие входы первого БФКДН (8.1), а именно на входы N фазовращателей (9.1), в которых приобретают фазовый линейный набег:
1 фаз n
x
1
ϕ=-(2π n d/λ)sinθ,
где n принимает значения от 1 до N,
1
что обеспечивает синфазное распределение N сигналов на входах сумматора (11) БФКДН (8.1), поступивших от первого источника помех (находящегося под углом θ относительно нормали к апертуре ФАР). Фазовые распределения на выходах входных фазовращателей (9.1) от остальных (М-1) помеховых сигналов будут иметь линейные наклоны:
i фаз n
1 фаз n
x
x
1
ϕ+ϕ=(2π n d/λ)sinθ i-(2π n d/λ)sinθ
С i-тых выходов N входных делителей (6А) в БФУС (3.1) сигналы поступают на соответствующие входы i-го БФКДН (8.i), а именно на входы N входных фазовращателей (9.i) БФКДН (8i), в которых приобретают фазовый линейный набег:
i фаз n
x
i
ϕ=-(2π n d/λ)sinθ
i
что обеспечивает синфазное распределение N сигналов на входах сумматора (11i) в БФКДН (8i), поступивших от i-го источника помех (находящегося под углом θ относительно нормали к апертуре ФАР). Фазовые распределения на выходах фазовращателей (9i) для остальных (М-1) помеховых сигналов будут иметь линейные наклоны.
i
С выходов N фазовращателей (9.i) сигналы поступают на N входов сумматоров (11.i), на выходах которых происходит синфазное сложение сигналов, принятых N излучателями от i-го источника помех и несинфазное сложение от остальных (М-1) помеховых сигналов. Таким образом на выходах сумматоров (11.i) формируются компенсационные диаграммы направленности (КДН) с максимумами в направлениях на i-e источники помех θ. В делителях (12.i) сигналы разделяются на N равных частей и проходя далее через выходные фазовращатели (10.i) в БФКДН (8.i) сигналы приобретают дополнительную фазу:
i фаз n
x
i
ϕ=(2π n d/λ)sinθ+π,
что приводит к противофазному суммирование сигналов, поступающих на i-тые и на (М+1)-е входы N сумматоров (7А) от i-го источника помех, обеспечивая их полную компенсацию.
Однако на выходах сумматоров (7А) в БФУС (3.1) сигналы от М источников помех не будут полностью подавлены, поскольку сформированная на выходе сумматора (9.i) КДН с направлением максимума на i-тый источник помехового сигнала принимает помеховые сигналы не только от i-того источника помех, но и от остальных М-1 источников, принимаемых боковыми лепестками i-той КДН, откуда и поступают на выходы сумматоров (7А). Результирующая амплитуда сигнала, поступающего от источника помех с номером i на выходы сумматоров (7А) будет равна:
(1)
1
1
1
1
1
1
i
i
1
2
i-1
i+1
M
i
i
1
A=A×(δ+δ+…δ…+.δ++δ), где A - комплексная амплитуда помехового сигнала от i-того источника помех на выходах входных делителей (6А), а δ - уровень соответствующих боковых лепестков комплексных КДН, формируемых на выходах сумматоров (11.1), (11.2), …, (11.i-1), (11.i+1), …(11.M). Таким образом помеховые сигналы от M источников помех на выходе БФУС 3.1 будут подавляться лишь частично. Так, например, первая помеха, приходящая с направления θ, соответствующего максимуму первой КДН сформированной в БФКДН (8.1) полностью компенсирует на выходах сумматоров (7А) сигналы, принятые излучателями от первого источника помех. Однако в этой же первой КДН будут присутствовать сигналы от остальных (М-1) источников помех, действующих по боковым лепесткам первой КДН, и эти помехи останутся не скомпенсированными на выходах сумматоров (7А). Следовательно, амплитуды помеховых сигналов на выходах БФУС (3.1) уменьшаются по сравнению с амплитудами на входах БФУС (3.1) только на величину порядка среднего уровня боковых лепестков КДН.
Далее с выходов БФУС (3.1) сигналы поступают на входы БФУС (3.2), где и по аналогии с работой БФУС (3.1) амплитуды помеховых сигналов на выходах БФУС (3.2) еще дополнительно уменьшаются по сравнению с амплитудами на его входах на такую же величину порядка среднего уровня боковых лепестков КДН. Исходя из заданного уровня подавления помеховых сигналов, можно определить требуемое число К каскадов БФУС (3.К). Приведенные выводы подтверждаются и аналитически, и компьютерным моделированием в системе MatLAB. Так, если уровень боковых лепестков КДН будет составлять минус 25 дБ, то сигналы помех на выходах БФУС (3.1) по сравнению с их амплитудами на входах будут подавлены на 25 дБ, на выходах БФУС (3.2) уже на 50 дБ, а на выходах БФУС (3.3) на 75 дБ, что достаточно, например, при существующих мощностях помехопостановщиков, используемых против радиолокационных станций, чтобы обеспечивает подавление их помеховых сигналов до уровня собственных шумов приемных устройств. Таким образом в случае использования предлагаемой ФАР для радиолокационных станций достаточно ограничиться тремя последовательно включаемыми БФУС.
Применение предложения позволяет обеспечить требуемую помехозащищенность ФАР в условиях одновременного воздействия заданного числа M источников помех.
Элементы предлагаемой ФАР (фазовращатели, делители, сумматоры) могут быть реализованы в том числе и в цифровом виде, поэтому исключается возможность отказа отдельных узлов ФАР, а также уменьшается стоимость и сложность конструкции. Описанные принципы создания управляемых связей очевидным образом распространяются на плоские ФАР, а также могут быть использованы для других видов ФАР: цилиндрических, сферических и т.д., а применение в качестве сумматоров (11) неравноамплитудных сумматоров (например, с амплитудным распределением, спадающим от центра к краям), позволит снизить уровень боковых лепестков КДН и сократить необходимое число каскадов К для получения требуемого уровня подавления мешающих сигналов.
Источники, использованные при оформлении заявки:
1. Н. Амитей, В. Галиндо. Теория и анализ фазированных антенных решеток. Изд. «Мир». Москва, 1974 г. - с. 421-430.
2. Андреев В.Ф., Воронов Р.Х. Метод формирования провалов в парциальных диаграммах направленности излучателей приемных АФАР / в сб. тр. 18-ой Международной Конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» Москва, DSPA-2016