Линейная антенная решетка

 

Использование: моноимпульсная радиолокация. Сущность изобретения: для уменьшения уровня боковых лепестков диаграммы направленности и увеличения коэффициента действия (КНД) суммарного канала линейная антенная решетка содержит 2N групп излучателей, 2N сумматоров, N кольцевых мостов, направленных ответвителей, фазосдвигающих цепочек и три сумматора каналов суммы, разности и подавления. Выбор оптимального амплитудного распределения в канале суммы достигается путем введения N/2-1 направленных ответвителей, фазосдвигающих цепочек и сумматора канала подавления. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве антенной системы преимущественно для моноимпульсного вторичного локатора.

Известна линейная антенная решетка, которая содержит 2N излучателей, два сумматора, N суммарно-разностных блоков. Устройство формирует две диаграммы суммарную и разностную, причем разностная используется в канале подавления. Известное устройство не позволяет формировать третью диаграмму канала подавления.

Известна антенна моноимпульсной РЛС, которая содержит решетку излучающих элементов, расположенных попарно симметрично относительно оси визирования. Каждый из четырех кольцевых мостов фоpмирует суммарный и разностный сигналы из сигналов, принятых симметрично расположенной парой элементов, лежащих во внутреннем ряду из восьми элементов. Сигналы с выходов кольцевых мостов складываются и поступают в суммарный канал (выходной) и разностный выходной канал. Сигналы, принятые группой из четырех элементов на каждом краю решетки, суммируются отдельно и подаются на пятый гибридный кольцевой мост. Выходы кольцевых мостов и линий складываются и поступают на суммарный вход и разностный вход. Для формирования диаграммы подавления направленный ответвитель разделяет мощность, поступающую на его вход, на два противофазных сигнала, которые подаются на центральный излучающий элемент и делитель системы питания антенной решетки.

Антенна моноимпульсной РЛС формирует три диаграммы направленности: суммарную, разностную и подавления. Объединение сигналов суммарного канала и канала подавления на направленном ответвителе предполагает обязательно нечетное количество излучателей, при этом диаграмма направленности канала подавления формируется одиночным излучателем, который находится в центре антенной решетки. На этот излучатель поступает основная мощность сигнала канала подавления, а нуль в направлении главного луча суммарной диаграммы направленности достигается за счет подачи на остальные излучатели малой мощности в противофазе по отношению к мощности, подаваемой на центральный излучатель.

Причиной, препятствующей получению технического результата, в этой антенной решетке, является увеличение уровня боковых лепестков диаграммы направленности и уменьшение коэффициента направленного действия (КНД) суммарного канала, связанных с неоптимальным амплитудным распределением в суммарном канале, обусловленным формой сети питания излучателей и взаимозависимостью диаграмм направленности суммарной и подавления. При выбранной форме сети питания требуемая величина провала в диаграмме направленности подавления, совмещенного с максимумом суммарной диаграммы направленности, определяется переходным ослаблением направленного ответвителя, объединяющего входы каналов суммы и подавления. Параметры направленного ответвителя рассчитываются, исходя из требуемой формы диаграммы направленности подавления. Поэтому в суммарном канале ответвитель обеспечивает питание центрального излучателя решетки меньшей мощностью, чем нужно для оптимального распределения, что и приводит к увеличению уровня боковых лепестков диаграммы направленности и снижению КНД. Это подтверждается, например, данными, приведенными в журнале GEC REWIEW, Vol.4, N 2, 1988, р. 112.

Сущность изобретения состоит в том, что для снижения уровня боковых лепестков диаграммы направленности (ДН) и увеличения КНД суммарного канала структура питания излучателей изменяется так, чтобы канал суммы стал независимым от каналов разности и подавления, что позволит в нем создать оптимальное амплитудно-фазовое распределение, обеспечивающее формирование оптимальной ДН, характеризующейся максимальным КНД антенны при заданном уровне боковых лепестков. Для формирования в антенной решетке ДН каналов суммы, разности и подавления используется один и тот же принцип построения сети питания излучателей, заключающийся в объединении входов каналов суммы и подавления через направленный ответвитель при независимом входе разностного сигнала. При этом ДН всех каналов являются взаимозависимыми. Излучатели могут объединятся в группы попарно-симметрично относительно центра решетки. Число излучателей (групп излучателей) обычно выбирается нечетным. Центральный излучатель (группа излучателей) располагается в центре решетки.

Для формирования оптимальной ДН в суммарном канале стремятся создать соответствующее, например Дольф-Чебышевское, распределение мощности по решетке. Для формирования всенаправленной ДН канала подавления на центральный излучатель (группу излучателей) подается большая часть входной мощности, а нуль в направлении максимума ДН суммарного канала получается за счет подачи оставшейся мощности (меньшей части) на все остальные излучатели (группы излучателей) в противофазе. Такая структура питания излучателей и принцип формирования ДН канала подавления из-за взаимозависимости ДН суммарной и подавления не позволяет обеспечить идеальное распределение мощности на центральном излучателе (группе излучателей) канала суммы, что приводит к уменьшению КНД и возрастанию уровня боковых лепестков.

В изобретении этот недостаток устраняется за счет изменения структуры питания излучателей и принципа формирования ДН канала подавления. С этой целью направленный ответвитель (НО), объединяющий каналы суммы и подавления, как это сделано в прототипе, отключается от входа сумматора канала суммы, а выходы сумматора подключаются непосредственно к суммарным входам кольцевых мостов, и в канале суммы реализуется апертурное распределение, например Дольф-Чебышева, обеспечивающее формирование оптимальной ДН с требуемым уровнем боковых лепестков. При этом, если излучатели объединяются в группы сумматорами, то коэффициенты деления этих сумматоров должны определяться параметрами сумматорного канала с учетом коэффициентов деления первого сумматора канала суммы. ДН канала подавления формируется всеми излучателями решетки, для чего требуется создать амплитудно-фазовое распределение на излучателях решетки, отличное от распределения, применяемого в прототипе. При этом появляется возможность исключить центральный излучатель (группу излучателей), сделав количество излучателей (групп) четным, что упрощает схему построения антенной решетки.

Чтобы получить оптимальную ДН в канале разности, можно использовать апертурное распределение Бейлисса, которое характеризуется уменьшением мощности в центре и на краях решетки. В канале подавления требуется большую часть мощности подать на центральные излучатели. Такие требования позволили объединить каналы подавления и разности через направленные ответвители, выбором переходных ослаблений которых и коэффициентов деления второго и третьего сумматоров, работающих от разностного сигнала и сигнала подавления, определяются амплитудные распределениях в этих каналах. Противофазное распределение по излучателям в канале разности обеспечивается кольцевыми мостами. Для компенсации сдвига фаз, вносимого направленными ответвителями, между разностными входами кольцевых мостов и выходами основных каналов направленных ответвителей включены фазосдвигающие цепочки. Для формирования более сложного фазового распределения в канале подавления между третьим сумматором и половиной всех направленных ответвителей дополнительно введены фазосдвигающие цепочки. Одноименные входы каждой пары кольцевых мостов, объединенных общим направленным ответвителям, подключаются к сумматорам групп излучателей попарно симметрично относительно центра каждой половины решетки, а количество объединяемых в каждую гpуппу излучателей выбирается так, чтобы отношение мощностей в канале разности, подводимых к сумматорам групп излучателей с одноименных выходов кольцевых мостов, подключенных к общему направленному ответвителю, было обратно пропорционально отношению мощностей в канале подавления, подводимых к тем же сумматорам групп излучателей.

Для выполнения этой задачи в линейную антенну решетку, содержащую 2n излучателей, объединенных посредством сумматоров в 2N групп, которые расположены попарно-симметрично относительно середины ЛАР, первый сумматор и второй сумматор, N кольцевых мостов и направленный ответвитель, введены третий сумматор, N/2-1 направленных ответвителей и 3N/4 фазосдвигающих цепочек, при этом входы первого, второго и третьего сумматоров являются соответственно входами суммарного, разностного сигнала и сигнала подавления, при этом первые плечи с первого по N/2 направленных ответвителей соединены соответственно с первого по N/2 выходами второго сумматора, третьи плечи с первого по N/4 направленных ответвителей соединены соответственно с первого по N/4 выходами третьего сумматора, третьи плечи с N/4+1 по N/2 направленных ответвителей соединены через фазосдвигающие цепочки соответственно с N/4+1 по N/2 выходами третьего сумматора, вторые плечи с первого по N/2 направленных ответвителей соединены через фазосдвигающие цепочки с разностными входами нечетных с первого п о N-1 кольцевых мостов, четвертые плечи с первого по N/2 направленных ответвителей соединены соответственно с разностными входами четных с второго по N-й кольцевых мостов, суммарные входы с первого по N-й кольцевой мост соединены соответственно с первого по N-й выходами первого сумматора, первые входы нечетных с 1-го по (N-1)-й кольцевой мост соединены соответственно с входами с 1-го по N/2 сумматор, считая от края ЛАР к ее середине, вторые входы нечетных с 1-го по N-1 кольцевой мост соединены соответственно с входами с 2N по ( 3N/2+1) сумматора, считая от другого края ЛАР, первые входы четных со 2-го по N-й кольцевой мост соединены соответственно с входами с N по (N/2+1) -х сумматоров, считая от середины ЛАР к ее краю, вторые входы четных со 2-го по N-й кольцевой мост соединены соответственно с входами с ( N+1)-го по (3N/2)-й сумматор, считая от середины ЛАР к другому ее краю, выходы 2N сумматоров подключены к входам 2n излучателей, причем (1,m) -й выходы каждого сумматора подключены к излучателям соответствующей группы, где m число излучателей в группе, может быть выбрано переменным m=1,2,3,a N-кратно четырем.

На фиг. 1 представлена функциональная схема ЛАР; на фиг. 2 функциональная схема ЛАР, в которой количество излучателей 2n=22, а количество групп 2N= 8; на фиг. 3 показаны диаграммы направленности каналов суммы, разности и подавления, формируемые ЛАР.

Линейная антенная решетка (см. фиг. 1) содержит 2n излучателей 1, объединенных посредством сумматоров 2 в 2N групп, которые расположены попарно симметрично относительно середины ЛАР, причем n≥4, N кратно четырем, сумматор 3, N кольцевых мостов 4, N/2 фазосдвигающих цепочек 5, N/2 направленных ответвителей 6, N/4 фазосдвигающих цепочек 7, сумматор 8, сумматор 9, входы ЛАР 10, 11, 12 суммарного, разностного сигналов и сигнала подавления соответственно.

Входы 10, 11, 12 являются входами сумматоров 3,8 и 9 соответственно. Первые плечи с первого по N/2 направленных ответвителей (НО) 6 соединены соответственно с первого по N/2 выходами сумматора 8, третьи плечи с первого по N/4 НО 6 соединены соответственно с первого по N/4 выходами сумматора 9, третьи плечи с N/4+1 по N/2 НО 6 соединены через фазосдвигающие цепочки 7 с N/4+1 по N/2 выходами сумматора 9 соответственно, вторые плечи с первого по N/2 НО 6 соединены через фазосдвигающие цепочки 5 с разностным входами нечетных с первого по N-1 КМ 4, четвертые плечи с первого по N/2 НО 6 соединены соответственно с разностными входами четных с второго по N КМ 4, суммарные входы с первого по N КМ 4 соединены соответственно с первого по N выходами сумматора 3, первые входы нечетных с первого по N-1 КМ 4 соединены соответственно с входами первого по N/2 сумматоров 2, считая от края ЛАР к ее середине, вторые входы нечетных с первого по N-1 КМ 4 соединены соответственно с входами с 2N по (3N/2+1) сумматоров 2, считая от другого края ЛАР, первые входы четных с второго по N КМ 4 соединены соответственно с входами с N по (N/2+1) cумматоров 2, считая от середины ЛАР к ее краю, вторые входы четных со второго по N КМ 4 соединены соответственно с входами с N+1 по 3N/4 сумматоров 2, считая от середины ЛАР к ее другому краю, выходы 2N сумматоров 2 подключены к входам 2n излучателей 1, причем (1.m)-й выходы каждого сумматора 2 подключены к излучателям соответствующей группы, объединенным этим сумматором, где m1, m=1,2,3, Линейная антенная решетка работает следующим образом.

Суммарный сигнал с входа 10 через сумматор 3 поступает на суммарные входы КМ4 и далее с входов 1 и 2 КМ 4 на соответствующие группы излучателей 1, объединенные сумматорами 2. Оптимальная ДН в суммарном канале характеризуется максимальным коэффициентом направленного действия (КНД) антенны при заданном уровне боковых лепестков. При выбранной форме сети питания оптимальная ДН обеспечивается сумматорами 2 и 3, не зависит от наличия в антенне каналов разности и подавления и реализуется, как известно, за счет использования апертурного распределения Дольф-Чебышева или Тейлора, которое может быть получено путем подбора коэффициентов деления сумматоров 2 и 3. Синфазность сигналов на излучателях 1 обеспечивается КМ 4 и выбором одинаковых длин высокочастотных трактов от сумматора 3 до КМ 4 и от КМ 4 до излучателей 1.

Разностный сигнал с входа 11 через сумматор 8 поступает на первые плечи НО 6, в которых большая часть мощности проходит на второе плечо и далее через фазосдвигающие цепочки 5 на разностные входы нечетных номеров КМ 4, с входов 1 и 2 которых в противофазе поступает на соответствующие сумматоры 2, составляющие половину всех сумматоров 2 ЛАР, четверть из которых расположена на одном краю решетки, а вторая четверть на другом. С выходов сумматоров 2 сигнал подается на соответствующие излучатели 1.

Меньшая часть мощности сигнала ответвляется в НО 6 на четвертое плечо со сдвигом фазы на минус 90^о относительно второго плеча и поступает на разностные входы четных номеров КМ 4. С входов 1 и 2 этих КМ 4 в противофазе сигнал поступает на соответствующие сумматоры 2, составляющие вторую половину всех сумматоров 2 ЛАР, и расположенных в центральной части решетки. С выходов сумматоров 2 сигнал подается на соответствующие излучатели 1.

Выравнивание фаз сигнала на разностных входах четных и нечетных номеров КМ 4 осуществляется фазосдвигающими цепочками 5, а противофазное распределение на излучателях обеспечивается КМ 4. Сигнал подавления с входа 12 через сумматор 9 поступает на третьи плечи первой половины (с первого по N/4) НО 6 непосредственно, а на третьи плечи второй половины (с N/4+1 по N/2) НО 6 через фазосдвигающие цепочки 7. С третьего плеча НО 6 большая часть мощности сигнала подавления проходит на его четвертое плечо, а меньшая часть со сдвигом фазы на минус 90^оотносительно четвертого плеча на второе плечо. С второго и четвертого плеч НО 6 до излучателей 1 сигнал подавления проходит аналогично сигналу разностному, причем на разностные входы каждой пары с первого по N/2 КМ 4, объединенной НО 6, сигнал подавления поступает в противофазе, а соотношение фаз на разностных входах каждой пары с N/2+1 по N КМ 4, объединенной НО 6, зависит от параметров фазосдвигающей цепочки 7, вносимый фазовый сдвиг которой определяется при оптимизации амплитудно-фазового распределения в канале подавления.

Ввиду симметричности НО 6 сигнал подавления между его вторым и четвертым плечами разделяется в отношении, обратно пропорциональном отношению сигнала разности на тех же входах, т.е. справедливо выражение: (1) где P_Δ2 P_Δ4 мощность сигнала разности на втором и четвертом плечах НО 6 соответственно; PΩ₂ P_Ω4 мощности сигнала подавления на тех же плечах НО 6.

Поскольку для формирования ДН каналов разности и подавления требуется симметричное амплитудное распределение, а КМ 4 делят поступающие на их разностные входы мощности сигналов разности и подавления пополам, то также справедливо будет выражение: (2) где P_Δx P_Δy мощности в канале разности, подводимые к сумматорам 2 с порядковыми номерами Х и У соответственно, подключенным к одному НО 6 и расположенным по одну сторону относительно середины ЛАР; P_Ωx,P_Ωy мощности в канале подавления, подводимые к тем же сумматорам 2.

Подводимые к сумматорам 2 сигналы разности и подавления делятся между 1. m излучателями, количество m которых выбирается по амплитудному распределению в каждом канале из условия выполнения равенства (2). При этом оптимизация ДН каналов разности и подавления производится с учетом коэффициентов деления сумматоров 2, определяемых при расчете ДН суммарного канала.

Так как в ЛАР применяются излучатели 1, сумматоры 2, КМ 4, фазосдвигающие цепочки 5 и НО 6, являющиеся общими для каналов разности и подавления, а излучатели 1 и сумматоры 2 общими для канала суммы, то следует заметить, что ДН каналов разности и подавления в некоторой степени взаимозависимы. На амплитудное распределение каналов разности и подавления через сумматоры 2 также оказывает влияние канал суммы. Поэтому для получения требуемых ДН каналов разности и подавления необходимо найти компромисс между амплитудно-фазовыми распределениями этих каналов без корректировки амплитудного распределения суммарного канала.

Известно, что для получения оптимальной ДН канала разности требуется апертурное распределение Бейлисса, при котором на центральную группу излучателей приходится незначительная часть общей мощности канала, а в канале подавления на эту группу необходимо подать большую часть общей мощности, чего можно добиться выбором коэффициентов деления сумматоров 8 и 9, а также переходного ослабления НО 6. Поэтому перед началом расчетов рекомендуется задаться апертурным распределением Бейлисса для канала разности, а затем, внося требуемые корректировки в выбранное распределение, провести с помощью ЭВМ расчет и оптимизацию обоих каналов.

Сумматоры 2, 3, 8 и 9 представляют собой делители мощности, которые могут быть реализованы, например, на мостовых соединениях, тройниках, направленных ответвителях. Направленные ответвители могут быть применены, например, шлейфного типа. В качестве фазирующих цепочек могут быть использованы отрезки ВЧ линий определенной длины или фазовращатели дискретного типа. Устройство и принцип действия сумматоров, направленных ответвителей и кольцевых мостов см. например, Лавров А.С. и др. Антенно-фидерные устройства. М. Сов, радио, 1974, с. 354, а фазовращатели в кн. "Конструкции СВЧ-устройств и экранов. Под ред. Чернушенко А.М. М. Радио и связь, 1983, Антенны и устройства СВЧ (Проектирование ФАР), Под ред. Воскресенского Д.И. М. Радио и связь, 1981.

Рассмотрим работу линейной антенной решетки на фиг. 2. В ЛАР имеется 2n= 22 излучателя 1, объединенных восемью сумматорами 2 в 2N=8 групп. Количество КМ 4 равно четырем (N=4), НО 6 равно двум (N/2=2). Количество фазосдвигающих цепочек 5 две (N/2=2), а цепочек 7 одна (N/4=1).

В ЛАР входят сумматор 3 с четырьмя выходами (N=4) и сумматоры 8 и 9, имеющие по два (N/2=2) выхода. Функциональная схема ЛАР представлена на фиг. 2 с изображением каждого указанного в конкретном примере блока и связей. Середина ЛАР находится между одиннадцатым и двенадцатым излучателями, образующими четвертую и пятую группы. Сумматоры 2 обеспечивают совместно с сумматором 3 распределение мощности по излучателям таким образом, чтобы получить в канале суммы требуемое распределение Дольф-Чебышева. Расчеты ДН канала суммы производились при заданном ослаблении уровня боковых лепестков 27 дБ. При расчете ДН каналов разности и подавления для канала разности было выбрано апертурное распределение Бейлисса и после проведения расчетов амплитудно-фазового распределения с учетом взаимосвязи с каналами подавления и суммы и оптимизации ДН канала подавления были получены представленные в таблице значения амплитудно-фазовых распределений в канале разности и подавления.

Для выполнения равенства (2) в первую группу объединены излучатели с порядковыми номерами 1 и 2, во вторую 3-6, в третью 74-10. В четвертую группу входит излучатель 1, в пятую излучатель 12 (коэффициент деления четвертого и пятого сумматоров 2 равен 0), в шестую 13-16, в седьмую 17-20, в восьмую 21 и 22.

В соответствии со схемой, приведенной на фиг. 2, первая группа излучателей объединена через первый НО с четвертой группой, а через второй НО объединена вторая и третья группы.

Проверим выполнение равенства (2): 10,66; 9,8; 10,66≈ 9,8 10,66≈ 9,8 ; 1,01≈ 1,01, т.е. равенство с достаточной точностью выполняется.

В канале суммы все излучатели запитываются синфазно. Противофазная запитка в канале разности обеспечивается кольцевыми мостами КМ 4. Для компенсации сдвига фаз на плечах НО, равного примерно 90^о, между НО и КМ с нечетными номерами установлены соответствующие фазосдвигающие цепочки 5. Для получения приведенных в таблице фазовых соотношений в канале подавления между сумматором 9 и вторым НО включена 90^о фазосдвигающая цепочка 7. Расчетные ДН приведены на фиг. 3.

Формула изобретения

ЛИНЕЙНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА (ЛАР), содержащая 2n излучателей, объединенных посредством сумматоров в 2N групп, которые расположены попарно симметрично относительно середины ЛАР, первый сумматор, второй сумматор, N кольцевых мостов и направленный ответвитель, отличающаяся тем, что введены третий сумматор, N/2 1 направленный ответвитель и 3N/4 фазосдвигающие цепочки, при этом входы первого, второго и третьего сумматоров являются соответственно входами суммарного, разностного сигнала и сигнала подавления, при этом первые плечи с первого по N/2 направленных ответвителей соединены соответственно с первого по N/2-й выходами второго сумматора, третьи плечи с первого по N/4-й направленных ответвителей соединены соответственно с первого по N/4-й выходами третьего сумматора, третьи плечи с (N/4 + 1)-го по N/2-й направленных ответвителей соединены через фазосдвигающие цепочки соответственно с (N/4 + 1)-го по N/2-й выходами третьего сумматора, вторые плечи с первого по N/2-й направленных ответвителей соединены через фазосдвигающие цепочки с разностными входами нечетных с первого по (N 1)-й кольцевых мостов, четвертые плечи с первого по N/2-го направленных ответвителей соединены соответственно с разностными входами четных с второго по N-й кольцевых мостов, суммарные входы с первого по N-й кольцевой мост соединены соответственно с первого по N-й выход первого сумматора, первые входы нечетных с первого по (N 1)-й кольцевой мост соединены соответственно с входами с первого по N/2-й сумматор, считая от края ЛАР к ее середине, вторые входы нечетных с первого по (N 1)-й кольцевой мост соединены с входами 2 N-го по (3N/2 + 1)-й сумматора, считая от другого края ЛАР, первые входы четных с второго по N-й кольцевой мост соединены соответственно с входами с N-го по (N/2 + 1)-х сумматоров, считая от середины ЛАР к ее краю, вторые входы четных с второго по N-й кольцевой мост соединены соответственно с входами с (N + 1)-го по 3N/2-й сумматор, считая от середины ЛАР к ее другому краю, выходы 2N сумматоров подключены к входам 2n излучателей, причем (1 m)-е выходы каждого сумматора подключены к излучателям соответствующей группы, где m число излучателей в группе может быть выбрано переменным, m 1, 2, 3, а N кратно четырем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3