СКАНИРУЮЩАЯ МНОГОЧАСТОТНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ С УПРАВЛЯЕМОЙ ЧАСТОТОЙ ПОВТОРЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ
SCANNING MULTI-FREQUENCY ANTENNA ARRAY FOR GENERATING SEQUENCE OF UWB PULSE SIGNALS IN SPACE WITH CONTROLLED PULSE REPETITION FREQUENCY

Изобретение относится к радиотехнике, может быть использовано в радиолокации, а также в системах радиоэлектронного подавления и других устройствах, в которых используются последовательности широкополосных (ШП) и сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов с управляемой частотой повторения импульсов.
Известные устройства - «Антенная решетка со схемами связи» [1] и «Антенна с электронным сканированием луча» [2].
Наиболее близким устройством по технической сущности (прототипом) является многочастотная антенная решетка (МЧАР) для формирования последовательности импульсных сигналов в пространстве [3, 4], которая выбрана в качестве прототипа изобретения, схема приведена на фиг. 1, где:
1 - система формирования когерентной сетки частот;
2 - излучающие элементы;
3 - управляемые фазовращатели;
4 - система управления фазовращателями.
МЧАР формируют в пространстве ШП и СШП импульсные последовательности из отдельных спектральных компонент. Это, во-первых, снимает проблему согласования антенно-фидерных трактов для ШП и СШП сигналов (каждый тракт узкополосный), во-вторых, позволяет генерировать ШП и СШП импульсы с заданной длительностью, вплоть до видеоимпульсов, в любой части радиочастотного диапазона [5, 7]. В этом же источнике приведен пример технической реализации МЧАР.
На фиг. 2 показаны пространственно-временное распределение сигнала (а) и форма огибающей по мощности (б) для МЧАР, состоящей из излучающих элементов, с коэффициентом усиления 4 каждый, и имеющей следующие параметры: количество элементов 10×10, размер 1,5×1,5 м, полоса частот 400…3400 МГц, для дальности 50 км мощность сигнала, подводимого к каждому элементу 100 Вт. Расчеты выполнены с помощью алгоритма, используемого в программе [7].
И
Недостатком рассматриваемого устройства является зависимость периода Т (частоты ) формируемых импульсов от количества спектральных компонент N для заданной ширины спектра ΔF, а значит, для заданной длительности импульса τ. Покажем это.
Частоты спектра излучаемого многочастотного сигнала определяются как:
min
где i=1…N; f - минимальная частота сигнала;  - расстояние между соседними частотами спектра, и, следовательно, частота повторения формируемых импульсов.
и
Длительность импульса τ обратно пропорциональна полосе частот сигнала ΔF и частоте повторения импульсов :
и
6
Такая зависимость недопустима в ряде случаев, например, при применении МЧАР в РЛС. Так для РЛС с длительностью импульса τ=1 нс при дальности R=150 км для однозначного определения дальности цели период импульсов должен быть больше чем 2R/c (с - скорость света), и, следовательно, количество частот в спектре сигнала (количество каналов ФАР) должно быть не менее 10, что физически нереализуемо.
Техническим результатом изобретения является получение возможности изменения частоты повторения СПЯТ импульсов, формируемых в пространстве сканирующей многочастотной антенной решеткой с заданной шириной частотного спектра, без изменения их длительности.
Технический результат достигается тем, что в известное устройство, состоящее из системы формирования когерентной сетки частот (1), излучающих элементов (2), управляемых фазовращателей (3) и системы управления фазовращателями (4), дополнительно введены импульсные модуляторы (5), импульсный генератор (6), управляемые линии задержки (7), система управления задержкой импульса (8), опорный генератор (9), синхронизатор систем управления линиями задержки и управляемыми фазовращателями (10) (фиг. 3).
i
м
м
М
М
Импульсные модуляторы формируют на каждой рабочей частоте  прямоугольные импульсы, длительность которых τ. За время τ МЧАР должна формировать в пространстве только один импульс с длительностью. Период следования модулирующих импульсов Т кратен Т (Т=mT, где m - целое положительное число), что позволяет дискретно менять частоту импульсов, формируемых МЧАР от первоначальной  до моноимпульса.
Такая схема построения устройства целесообразна в первую очередь при формировании СШП импульсов, когда получение импульсов с заданной длительностью (полосой) напрямую с помощью импульсных модуляторов невозможно, в частности, из-за ограниченных временных параметров эти модуляторов. При этом в предлагаемой схеме требования к модулятору значительно мягче, поскольку максимальная длительность формируемого им импульса может достигать периода МЧ сигнала
СК
Для реализации электронного сканирования диаграммой направленности (ДН) в схему введены управляемые линии задержки (7) и система управления задержкой (8), синхронизированная с системой управления фазовращателями (4). При этом максимальная величина задержки определяется размером апертуры D и углом максимального отклонением ДН от нормали к решетке Θ следующим соотношением:
На фиг. 1 приведена структурная схема прототипа изобретения - многочастотная антенная решетки для формирования последовательности импульсных сигналов в пространстве. На фиг. 2 (а) показано рассчитанное пространственно-временное распределение сигнала (зависимость плотности потока мощности (НИМ) от времени на заданной дальности), формируемого многочастотной антенной решеткой, параметры которой приведены в таблице.
М
М
На фиг. 3 показана структурная схема изобретения. На фиг. 4 (а) приведена нормированная огибающая сигнала по мощности для известного устройства (нормировка выполнена по максимуму огибающей). На фиг. 4 (б) показаны импульсы, поступающие на импульсный модулятор и огибающая сигнала, формируемая предлагаемым устройством при Т=2Т. На фиг. 4 (в) показаны импульсы, поступающие на импульсный модулятор и огибающая сигнала, формируемая предлагаемым устройством при Т=3Т.
Устройство работает следующим образом.
i
м
и
М
М
Непрерывные сигналы с частотами  с устройства формирования когерентной сетки частот (1) поступают на импульсные модуляторы (5), на управляющие входы которых через управляемые линии задержки (7) с импульсного генератора (6) поступает последовательность прямоугольных видеоимпульсов. Для обеспечения взаимной когерентности СШП импульсов, формируемых МЧАР в пространстве, используются сигналы опорного генератора (6). Длительность видеоимпульса τ снизу ограничена длительностью импульса τ, формируемого МЧАР, а сверху в соответствии с выражением (1) – периодом повторения импульсов формируемых МЧАР. На фиг. 4 (а) показана нормированная по максимальному значению огибающая сигнала по мощности, формируемого устройством в отсутствии импульсной модуляции. На фиг. 4 (б, в) приведены последовательности импульсов, поступающих на импульсные модуляторы, и формируемые МЧАР сигналы при модуляции этими последовательностями для различных периодов повторения видеоимпульсов для Т=2Т и Т=3Т, соответственно.
Фазовращатели (3) с системой управления фазовращателями (4) и линии задержки (7) с системой управления линиями задержки (8) позволяют осуществлять электронное сканирование ДН устройства. Согласованная работа фазовращателей и линий задержки обеспечивается синхронизатором (10).
ЛИТЕРАТУРА
1. Антенна с электронным сканированием луча, заявка №1558794, Великобритания, публикация 1980 г., 9 января.
2. Сканирующая антенна, заявка №2153076, Франция, публикация 1973 г., 1 июня.
3. Воробьев Н.В., Грязнов В.А. Многочастотная антенная решетка для формирования последовательности импульсных сигналов в пространстве: патент №2267838. Приоритет от 01.27.2004.
4. Воробьев Н.В., Грязнов В.А. Многочастотные антенные решетки для формирования импульсных сигналов // Радиотехника (Журнал в журнале). - 1997. - Выпуск 26, №11. С. 107-108 (5).
5. Воробьев Н.В., Воробьев И.Н., Грязнов В.А., Ягольников C.B. Формирование сверхширокополосных импульсных сигналов многочастотными антенными решетками со случайным распределением частот сигналов по элементам апертуры // IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» - ИРЭ РАН, 29 ноября - 3 декабря 2010.
6. Воробьев Н.В., Воробьев И.Н., Грязнов В.А., Неплюев О.Н. Пространственное формирование импульсных сигналов многочастотными антенными решетками со случайным распределением частот сигналов по элементам апертуры // Конфликтно-устойчивые радиоэлектронные системы. - 2011. Выпуск 159, №18. С. 21-26.
7. Аджемов С.С., Воробьев Н.В., Грязнов В.А. Моделирование многочастотных антенных решеток: Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. №2006613973, зарегистрировано 21 ноября 2006 г.