Способ формирования диаграммы направленности двухкольцевой цифровой фазированной антенной решетки

Авторы патента:

Белозерцев Юрий Васильевич (RU)

Лещинский Андрей Анатольевич (RU)

Лукьяненко Александр Анатольевич (RU)

H01Q3/00 - Устройства для изменения ориентации и(или) формы диаграммы направленности волн, излучаемых антенной или группой антенн

G01S3/14 - системы для определения направления или отклонения от заданного направления

Владельцы патента RU 2573715:

Акционерное общество "Воронежский научно-исследовательский институт "Вега" (АО "ВНИИ "Вега") (RU)

Изобретение относится к антенной технике, а именно к антенным системам с электронным управлением лучом и применением кольцевых цифровых фазированных антенных решеток (ЦФАР) в мобильных и стационарных средствах связи. Способ формирования диаграммы направленности двухкольцевой цифровой фазированной антенной решетки включает: цифровую обработку СВЧ сигнала, формирование управляющих сигналов в соответствии с данными о требуемой ДН и передачу излучателям возбуждающих сигналов с амплитудно-фазовым распределением, определенным в соответствии с выбранным критерием, амплитуды А_nm и фазы φ_nm возбуждающих сигналов определяют, минимизируя функцию F среднеквадратического отклонения формируемой диаграммы направленности R(φ) от заданного распределения Е(φ) поля излучения антенной решетки, характеризующегося наименьшим уровнем боковых лепестков при данной ширине основного лепестка, при этом величина амплитуды А_nm не превышает 1. Техническим результатом является формирование диаграммы направленности с требуемым уровнем боковых лепестков. 3 ил.

Известным путем формирования диаграммы направленности (ДН) кольцевой цифровой фазированной антенной решетки с уменьшенным уровнем боковых лепестков является выбор кольцевых структур и размещения антенных элементов (описание к патенту RU 2144200 С1, МПК 7 G01S 3/14, G01S 3/74, опубликовано: 10.01.2000, описание к патенту RU 2310956 С1, МПК H01Q 21/06 (2006.01), опубликовано 20.11.2007).

Известные технические решения направлены, главным образом, на совершенствование конструкции антенной системы и не решают задач управления формированием ДН.

Известны технические решения управления формированием ДН в антенных системах с электронным управлением лучом, в которых амплитудно-фазовое распределение выходных сигналов антенных элементов устанавливают в соответствии с выбранным критерием (описание к патенту RU 2287880 С2, MПK H01Q 21/29 (2006.01) H01Q 3/26 (2006.01), опубликовано 10.02.2006, описание к патенту RU (11) 2395141 С1, МПК H01Q 3/00 (2006.01), опубликовано 20.07.2010).

Известные способы решают задачу управления формированием ДН в системах с линейными антенными решетками.

Задача изобретения - управление формированием диаграммы направленности в системах с двухкольцевой цифровой фазированной антенной решеткой.

Технический результат от использования изобретения - формирование диаграммы направленности с требуемым уровнем боковых лепестков.

Технический результат достигается тем, что в способе формирования диаграммы направленности двухкольцевой цифровой фазированной антенной решетки, включающий цифровую обработку СВЧ сигнала, формирование управляющих сигналов в соответствии с данными о требуемой ДН и передачу излучателям возбуждающих сигналов с амплитудно-фазовым распределением, определенным в соответствии с выбранным критерием, отличающийся тем, что амплитуды А_nm и фазы φ_nm возбуждающих сигналов, где n - номер излучателя в кольце ЦФАР, m - номер кольца, определяют, минимизируя функцию F среднеквадратического отклонения формируемой диаграммы направленности R(φ) от заданного распределения Е(φ) поля излучения антенной решетки, характеризующегося наименьшим уровнем боковых лепестков при данной ширине основного лепестка, при этом величина амплитуды A_nm не превышает 1.

Сущность технического решения заключается в том, что амплитуды А_nm, не превышающие 1, и фазы φ_nm сигналов, возбуждающих соответствующие излучатели ЦФАР, рассчитываются по специальному численному алгоритму, который минимизирует среднеквадратичное отклонение диаграммы направленности ЦФАР от теоретической оптимальной (например, от распределения Дольфа-Чебышева, характеризующегося наименьшим уровнем боковых лепестков при заданной ширине основного лепестка).

На фиг. 1 изображена функциональная блок-схема антенной системы с двухкольцевой цифровой фазированной антенной решеткой (ЦФАР) для реализации способа; на фиг. 2 - нормированная диаграмма направленности двухкольцевой ЦФАР (кривая I) в сравнении с исходной, построенной на основе распределения Дольфа-Чебышева (кривая II) с уровнем боковых лепестков - 40 дБ и шириной главного лепестка 60° по уровню - 3 дБ; на фиг. 3 а) - нормированная диаграмма направленности двухкольцевой. ЦФАР, рассчитанная по стандартным формулам [Зелкин Е.Г., Соколов В.Г. Методы синтеза антенн. Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. М.: Советское радио, 1980, с. 249-251] (кривая III) при расстройке волнового числа Δk=0.1k, где k=2π/λ - волновое число, и распределение Дольфа-Чебышева (кривая IV) с уровнем боковых лепестков - 40 дБ и шириной главного лепестка 60° по уровню - 3 дБ; на фиг. 3 б) - нормированная диаграмма направленности, рассчитанная с помощью алгоритма, минимизирующего среднеквадратичное отклонение от заданной диаграммы направленности (кривая V) при расстройке волнового числа Δk=0.1k и распределение Дольфа-Чебышева с уровнем боковых лепестков - 40 дБ и шириной главного лепестка 60° по уровню - 3 дБ (кривая IV).

Двухкольцевая ЦФАР состоит из блока 1 управления, блока 2 формирования СВЧ сигнала, устройств 3 формирования возбуждающих сигналов по числу излучателей 4. Каждое устройство 3 формирования возбуждающего сигнала одним входом соединено с выходом блока 2 формирования СВЧ сигнала, а другим входом - с соответствующим выходом блока 1 управления. Выход каждого устройства 3 формирования возбуждающего сигнала соединен с соответствующим излучателем 4, которые расположены на двух концентрических окружностях с одинаковым угловым шагом.

Блок 1 управления может быть выполнен, например, аналогично блоку управления, описанному в патенте РФ №1531183, MПK H01Q 3/26, опубликован 23.12.89 г., бюл. №47. Блок 2 формирования СВЧ сигнала может быть выполнен, например, в виде генератора СВЧ сигнала (см. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия, 1975, с. 5). Устройство 3 формирования возбуждающего сигнала может быть выполнено, например, в виде умножителя (см. Братчиков А.Н. и др. Активные фазированные антенные решетки. Под ред. Д.И. Воскресенского. М.: «Радиотехника», 2004, с. 28).

Способ формирования диаграммы направленности двухкольцевой цифровой фазированной антенной решетки осуществляется следующим образом.

Для формирования диаграммы направленности круговой антенной решетки необходимо задание амплитуд А_nm и фаз φ_nm возбуждающих сигналов, поступающих на излучатели ЦФАР.

Блок 2 формирования сигнала вырабатывает СВЧ сигнал, который поступает на входы устройств 3 формирования возбуждающих сигналов. На вход блока 1 управления вводятся исходные данные о требуемой диаграмме направленности: угол направления главного лепестка и величина уровня боковых лепестков.

В памяти блока 1 управления хранятся наборы комплексных коэффициентов С_nm=A_nmexp(jφ_nm). Каждый из коэффициентов C_nm определяет амплитуду и фазу возбуждающего сигнала соответствующего излучателя 4. Наборы коэффициентов соответствуют различным направлениям излучения ЦФАР, изменение которого осуществляется с заданным произвольным угловым шагом, а сами коэффициенты C_nm вычислены при условии заданного уровня боковых лепестков, что достигается за счет применения алгоритма, минимизирующего среднеквадратическое отклонение формируемой диаграммы направленности от заданной.

Блок 1 формирует управляющие сигналы, которые содержат цифровые данные о коэффициентах С_nm и передает их в соответствующие устройства 3 формирования возбуждающих сигналов, в каждом из которых происходит перемножение сигнала СВЧ и соответствующего коэффициента С_nm. Возбуждающие сигналы с выходов устройств 3 формирования поступают на соответствующие излучатели 4 ЦФАР, суммарное излучение которых и формирует требуемую диаграмму направленности.

Сущность алгоритма расчета коэффициентов С_nm заключается в следующем.

Диаграмма направленности однокольцевой круговой антенной решетки имеет вид [Watanabe. F, Goto N., Nagayama A., Yoshida G. A pattern synthesis of circular arrays by phase adjustment // IEEE Transactions on Antenna and Propagations, 1980, vol. AP-28, № 6, pp. 857-863, Зелкин E.Г., Соколов В.Г. Методы синтеза антенн. Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. М.: Советское радио, 1980, с. 249-251]:

В случае многокольцевой решетки с направленным под некоторым углом излучением диаграмма направленности имеет вид

где N - число элементов в однокольцевой антенной решетке, М - число колец.

Комплексные коэффициенты С_nm вычисляются на основе минимизации функции F среднеквадратической ошибки (уклонения) диаграммы направленности R(φ) антенной решетки, сфазированной под некоторым углом, от искомого распределения Е(φ), характеризующегося наименьшим уровнем боковых лепестков при данной ширине основного лепестка, при одновременном выполнении условия |А_nm|≤1:

где суммирование проводится по множеству углов φ_i, в которых уклонение диаграммы направленности от заданной должно быть минимальным. Е(φ) есть некоторое заданное распределение поля излучения антенной решетки, характеризующегося наименьшим уровнем боковых лепестков при данной ширине основного лепестка, например, распределение Дольфа-Чебышева. Для круговой антенной решетки оно имеет вид [Stearns С.О., Stewart А.С. An Investigation of Concentric Ring Antennas with Low Sidelobes // IEEE Transactions on Antenna and Propagations, 1965, vol. AP-13, № 6, pp. 856-863]:

где T_l(x) - полином Чебышева 1-го рода l-го порядка, ε - отношение уровня боковых лепестков к уровню основного лепестка.

Пример диаграммы направленности двухкольцевой цифровой фазированной антенной решетки, сформированной в соответствии с заявленным способом, а также ее сравнительные характеристики, подтверждающие достижение технического результата, представлены на фиг. 2, фиг. 3(а), (б).

Способ формирования диаграммы направленности двухкольцевой цифровой фазированной антенной решетки (ЦФАР), включающий цифровую обработку СВЧ сигнала, формирование управляющих сигналов в соответствии с данными о требуемой ДН и передачу излучателям возбуждающих сигналов с амплитудно-фазовым распределением, определенным в соответствии с выбранным критерием, отличающийся тем, что амплитуды А_nm и фазы φ_nm, где n - номер излучателя в кольце ЦФАР, m - номер кольца, возбуждающих сигналов определяют, минимизируя функцию F среднеквадратического отклонения формируемой диаграммы направленности R(φ) от заданного распределения Е(φ) поля излучения антенной решетки, характеризующегося наименьшим уровнем боковых лепестков при данной ширине основного лепестка, при этом величина амплитуды А_nm не превышает 1.

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для для активного управления угломестной диаграммой направленности излучения антенной решетки. Технический результат - повышение точности компенсации потерь.

Способ формирования провалов в направлениях источников помех в диаграммах направленности плоских фазированных антенных решеток с непрямоугольной границей раскрыва // 2559763

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для пространственного подавления помех путем формирования провалов («нулей») в диаграммах направленности фазированных антенных решеток (ФАР) в направлениях источников помех.

Система управления вентильным электродвигателем вращения антенны рлс // 2541151

Изобретение относится к системам управления вентильными электродвигателями вращения антенны радиолокационной станции (РЛС) и может быть использовано в регулируемых электроприводах.

Передающая антенна // 2532724

Изобретение относится к радиоэлектронной аппаратуре, в частности к конструкции передающей антенны для создания радиопомех приемным устройствам радиоэлектронных средств связи, передачи данных, радиоэлектронных и навигационной аппаратуры потребителей сетевых среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем.

Активная фазированная антенная решетка // 2531562

Изобретение относится к радиолокации, в частности к активной фазированной антенной решетке (АФАР). Технический результат - повышение помехозащищенности радиолокационной станции к помехам по зеркальному каналу и уменьшение вероятности возникновения ложных целей.

Дефлекторное устройство для электромагнитного излучения (варианты) // 2526770

Изобретение относится к области телекоммуникаций, а более конкретно - к устройствам для отклонения направленного электромагнитного излучения, и может применяться в радиотехнических конструкциях, в частности в малогабаритных радарных системах.

Антенна для зондирования ионосферы // 2504054

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области измерений геофизических полей Земли и системам связи. Техническим результатом является реализация широкодиапазонной антенны, работающей во всем диапазоне частот зондирования ионосферы.

Устройство формирования диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки // 2495449

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для формирования диаграммы направленности (ДН) в связных или радиолокационных активных фазированных антенных решетках (АФАР).

Моноимпульсная антенна с частотным сканированием // 2490760

Изобретение относится к радиолокационным системам сопровождения с повышенной точностью определения угловых координат. .

Антенный пост радиолокационный станции // 2479897

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокации для обнаружения целей, их захвата и сопровождения, например в радиолокационных системах управления оружием.

Устройство для определения направления и дальности до источника сигнала // 2562828

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пеленгаторам. Достигаемый технический результат - увеличение помехоустойчивости устройства.

Амплитудный радиопеленгатор (варианты) // 2526536

Группа изобретений может быть использована для определения пространственных параметров радиоизлучений. Достигаемым техническим результатом является разработка малогабаритных амплитудных радиопеленгаторов (AP) при сохранении в значительной степени их высоких точностных характеристик.

Способ пеленгации ионосферных сигналов // 2518007

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области пеленгации, и может быть использовано для пеленгации (измерения азимутов) и измерения углов места ионосферных сигналов в условиях приема как одного, так и двух лучей в широком частотном диапазоне.

Способ и устройство определения координат объектов // 2513900

Изобретения относятся к области радиотехники и могут быть использованы для определения местоположения объектов угломерно-дальномерным способом с летно-подъемного средства (ЛПС).

Способ пеленгации радиосигналов и пеленгатор для его осуществления // 2505832

Изобретения предназначены для определения пеленга и угла места источника априорно неизвестного сигнала. Достигаемый технический результат - сокращение временных затрат на оценивание пространственных параметров сигналов - азимута и угла места.

Способы определения знака и величины отклонения самолета от курса и глиссады на конечном этапе его посадки на аэродром и устройства для их осуществления // 2492495

Способ посадки самолета по курсу или глиссаде на аэродром и устройства для его реализации, рлс определения знака отклонения цели от равносигнального направления // 2485537

Фазовый способ пеленгации // 2482508

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации, и может быть использовано для совмещенного поиска и пеленгования по угловым координатам с высокой точностью множества работающих передатчиков, одновременно попадающих в текущую полосу приема.

Способ определения пространственных координат подвижного объекта // 2482507

Изобретение относится к области радионавигации, а именно к определению местоположения подвижного объекта. .

Способ компьютерно-интерферометрического обнаружения-пеленгования радиосигналов с расширенным спектром // 2470315

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для пассивного обнаружения и пеленгования систем связи, локации и управления, использующих радиосигналы с расширенным спектром.

Способ цифровой обработки сигналов при обзорной моноимпульсной амплитудной суммарно-разностной пеленгации с использованием антенной решетки (варианты) и обзорный моноимпульсный амплитудный суммарно-разностный пеленгатор с использованием антенной решетки и цифровой обработки сигналов // 2583849

Изобретение относится к области радиотехники и может быть применено в системах моноимпульсной радиолокации и радиопеленгации, использующих антенную решетку и цифровую обработку сигналов. Достигаемый технический результат изобретения - повышение точностных характеристик и быстродействия, вплоть до определения угла прихода сигнала по единственной его реализации. Для достижения технического результата по первому варианту способа, до приема сигналов осуществляют моделирование процесса их приема и обработки, при котором используют весовую функцию Хэмминга, обеспечивающую соответствующий уровень боковых лепестков и далее определяемого значения угла смещения, ширину рабочей зоны пеленгации не менее двукратной ширины диаграммы направленности парциального канала по уровню половинной мощности, в процессе моделирования определяют на основе весовой функции и параметров антенной решетки конкретный вид функций, параметрически зависящих от угла смещения, разлагают нечетную функцию, описывающую пеленгационную характеристику, по нечетным степеням текущего угла в ряд Маклорена, определяют предварительное значение угла смещения, вычисляют окончательное значение угла смещения, использованную при моделировании весовую функцию и определенное в результате моделирования значение угла смещения используют при формировании диаграмм направленности антенной решетки, получают значение сигнала рассогласования и вычисляют значение угла прихода сигнала источника радиоизлучения соответствующим образом. Для достижения технического результата по второму варианту определяют окончательное значение угла смещения как результат решения задачи, обеспечивающий соответствие пеленгационной характеристики кубической функции с отклонением только в седьмом и более высоких порядках разложения, далее использованную при моделировании весовую функцию и определенное в результате моделирования значение угла смещения используют при формировании диаграмм направленности антенной решетки, приеме и обработке сигнала, получая значение сигнала рассогласования, после чего вычисляют значение угла прихода сигнала источника радиоизлучения определенным образом. Примером реализации способов по первому и второму вариантам является обзорный моноимпульсный амплитудный суммарно-разностный пеленгатор с использованием антенной решетки и цифровой обработки сигналов, выполненный определенным образом. 3 н.п. ф-лы, 6 ил.