Способ формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и КВЧ диапазонов. Определяют амплитудно-фазовое распределение в раскрыве фазированной антенной решетки, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении u₀, выбирают пространственные положения парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности. Формирование расширенной диаграммы направленности производят тремя парциальными лучами, причем центральный парциальный луч ориентирован в заданном направлении u₀, а два боковых парциальных луча смещены в противоположных относительно центрального луча направлениях на угол u₁. Значение угла u₁ выбирают из решения оптимизационной задачи по критерию минимума

, где ƒ(u-u₀), ƒ(u-u₀+u₁), ƒ(u-u₀-u₁) - соответственно диаграммы направленности центрального парциального и двух боковых парциальных лучей; u₀=0,5kLsinθ₀ - направление максимума формируемой диаграммы направленности и центрального парциального луча в обобщенных координатах; u₁=0,5kLsinθ₁ - смещение боковых парциальных лучей относительно максимума формируемой диаграммы направленности в обобщенных координатах; а - амплитуды отклоненных боковых парциальных лучей; u=0,5kLsinθ - обобщенная координата; L - размер раскрыва фазированной антенной решетки в плоскости формируемой расширенной диаграммы направленности; k - волновое число. Амплитуды боковых парциальных лучей определяют в соответствии с выражением а=(ƒ(Δ)-0,707)(0,707(ƒ(u₁)+ƒ(-u₁))-(ƒ(Δ+u₁)+ƒ(Δ-u₁)))^-1, где Δ - полуширина диаграммы направленности суммарного луча по уровню половинной мощности. Результирующее амплитудно-фазовое распределение в раскрыве фазированной антенной решетки рассчитывают по формуле А(x)=A₀(x)(1+a(exp(ikxsinθ₁)+exp(-ikxsinθ₁)))=A₀(x)(1+2acos(kxsinθ₁)), где A₀(x) - амплитудно-фазовое распределение в раскрыве, обеспечивающее формирование центрального парциального луча в направлении u₀. Технический результат заключается в повышении быстродействия. 7 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и КВЧ диапазонов, а именно к фазированным антенным решеткам, и может быть использовано в системах радиосвязи, радиопеленгации и радиолокации.

В качестве диаграмм направленности специальной формы часто используются расширенные в одной из главных плоскостей лучи. В зависимости от требований луч может иметь различные коэффициенты расширения. Для формирования одномерно расширенных лучей фазированной антенной решетки необходимо создавать в раскрыве соответствующее амплитудно-фазовое распределение, изменяющееся вдоль одного координатного направления.

Известны способы расширения луча на основе введения начального фазового распределения, когда к необходимому для управления лучом закону управления фазами сигналов в излучателях добавляют фазовые подставки, имеющие сферическую, параболическую или обобщенную полиномиальную формы [1 - Самойленко В.И., Шишов Ю.А. Управление фазированными антенными решетками. М.: Радио и связь, 1983, с. 129-142]. Так в многофункциональной антенной решетке при реализации квадратичного закона управления фазой ширина диаграммы направленности изменяется в несколько раз [2 - Бибарсов М.Р., Волошина В.А., Землянский С.В., Мануйлов Б.Д. и др. Исследование характеристик многофункциональной антенной решетки // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника, 2012, вып. 2, с. 3-9]. Способ введения фазовой подставки достаточно прост в реализации и использовании.

Недостатком способа, основанного на введении фазовой подставки, является то, что лучи, формируемые на его основе, обладают недостаточно высокой энергетической эффективностью, а с расширением луча растут и боковые лепестки.

Известен способ формирования расширенных лучей на основе метода веерных парциальных диаграмм, рассмотренный в [3 - Минкович Б.М., Яковлев В.П. Теория синтеза антенн. М.: Сов. радио, 1969, с. 253-263] и развитый в [4 - Грибанов А.Н., Титов А.Н., Мосейчук Г.Ф. Фазовый синтез расширенных лучей фазированной антенной решетки методом веерных парциальных диаграмм // Антенны, 2008, вып. 9 (136), с. 15-20]. При реализации способа поле, излучаемое антенной решеткой, представляют в виде суммы парциальных диаграмм направленности подрешеток, угловыми положениями максимумов которых можно управлять. Эти максимумы в угловом пространстве формируемого луча располагают таким образом, чтобы результирующая диаграмма направленности имела вид расширенного луча. Всю совокупность излучателей М условно разбивают на (М-1) подрешетки. Каждая подрешетка включает два разнесенных на шаг решетки излучателя. Для этого каждый внутренний излучатель условно расщепляется на два элемента с половинными амплитудами и теми же координатами. Из расщепленных пар излучателей создают подрешетки с индивидуальным сканированием F_m(u), формирующие независимые парциальные диаграммы. Угловую область одномерно расширенного луча разбивают на интервалы ΔU_m и в середину каждого интервала направляют луч F_m(u). Размеры угловой области ΔU_m, занимаемой лучом парциальной диаграммы F_m(u), зависят от уровня луча. Для увеличения в некотором направлении u_m среднего потока мощности электромагнитного поля необходимо теснее располагать максимумы парциальных диаграмм.

Недостатком данного способа является необходимость каждый раз выстраивать цепочку из парциальных излучателей, связанных узловыми точками, в которых фазы соседних парциальных излучателей совпадают.

Известен способ формирования расширенных лучей плоских антенных решеток на основе модифицированного метода веерных парциальных диаграмм [5 - Литвинов А.В., Мищенко С.Е., Шацкий В.В. Модифицированный метод веерных парциальных диаграмм для синтеза плоской антенной решетки с произвольным раскрывом // Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн». - Таганрог, Дивноморское. ТТИ ЮФУ, 24-28 июня 2013, с. 105-110], являющийся модификацией рассмотренного выше способа применительно к плоскому раскрыву. Реализация способа показала, что управление положениями парциальных лучей является эффективным инструментом, обеспечивающим качественное решение достаточно сложных задач фазового синтеза фазированных антенных решеток по заданным объемным диаграммам направленности специальной формы. Способ обладает высоким быстродействием благодаря тому, что возможные пространственные положения парциальных лучей задают только в области главного луча, а порядок перебора парциальных излучателей с числом элементов не менее трех однозначно связан с выбранным спадающим к краям раскрыва амплитудным распределением.

Недостатком способа является необходимость выстраивать каждый раз цепочку из парциальных излучателей. Перебор возможных парциальных элементов на каждом шаге осуществляют в порядке убывания амплитудного распределения на раскрыве фазированной антенной решетки. И хотя на каждом шаге рассматривается только четыре возможных парциальных элемента, однако в конечном итоге это приводит к М-кратному (М - число парциальных лучей) увеличению числа итераций при реализации алгоритма, связанному с необходимостью повторных переборов парциальных излучателей.

Известен способ управления пространственным положением парциальных лучей фазированной антенной решетки с использованием модифицированного генетического алгоритма [6 - Литвинов А.В., Мищенко С.Е., Шацкий В.В. Метод фазового синтеза антенной решетки по принципу управления пространственными положениями парциальных лучей. // Антенны, 2014, вып. 7 (206), с. 23-29], который свободен от перечисленных выше недостатков. Его реализация связана с выполнением последовательности действий, включающей формирование диаграммы направленности для заданных начальных фаз, определение качества формируемой диаграммы направленности в смысле выбранной целевой функции (показателя качества), формирование функции невязок, определение направления, в которое необходимо ориентировать парциальный луч, чтобы скомпенсировать недостаток плотности потока мощности фазированной антенной решетки в заданном направлении u₀, выбор парциального луча, для которого переориентация позволяет получить наибольшее улучшение качества диаграммы направленности в смысле выбранной целевой функции, формирование нового фазового распределения, которое отличается от предыдущего значениями фаз элементов выбранного парциального излучателя, формирование диаграммы направленности с новым фазовым распределением и определение соответствующего ей показателя качества. Если полученное качество диаграммы направленности удовлетворяет сформулированным требованиям, то процесс останавливается. Если качество не удовлетворяет сформулированным требованиям, а величина показателя увеличилась, то осуществляется возврат к шагу, связанному с выбором другого парциального излучателя.

Недостаток способа заключается в том, что его вычислительная эффективность существенно зависит от реализации шага, связанного с определением парциального излучателя, управление парциальным лучом которого обеспечивает улучшение показателя качества. Поэтому выбор положений парциальных лучей фазированной антенной решетки по заданной диаграмме направленности производят на основе модификации генетического алгоритма, в ходе реализации которого формируют новые популяции с помощью датчика случайных чисел, распределенных по нормальному закону.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому способу является способ формирования лучей фазированной антенной решетки специальной формы и, в частности, расширенных лучей на основе управления положением и уровнем парциальных лучей [7 - Литвинов А.В., Мищенко С.Е., Шацкий В.В. Метод амплитудно-фазового синтеза антенной решетки на основе принципа управления парциальными лучами // Сб. докладов XX Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», 15-17 апреля 2014 г., т. 1, с. 528-533]. В соответствии с данным способом для формирования требуемой диаграммы направленности используют итерационный процесс, на каждом шаге которого диаграмму направленности представляют в виде взвешенной суммы двух парциальных лучей: основного и дополнительного. Основной луч ориентирован в направлении максимума формируемой диаграммы направленности фазированной антенной решетки, а дополнительный луч ориентируется в направлении, в котором наблюдается максимальная невязка между заданной и синтезированной диаграммами направленности. При этом неизвестные весовые коэффициенты для суммирования лучей определяют в процессе решения задачи минимизации отклонения формируемой и заданной диаграмм направленности. Искомое амплитудно-фазовое распределение в раскрыве фазированной антенной решетки находят как результат взвешенного суммирования амплитудно-фазовых распределений всех парциальных лучей. В данном способе при формировании луча в случае использования дополнительных парциальных лучей с низким уровнем боковых лепестков при решении задач минимизации достаточно контролировать только область главного луча. Способ применим для произвольной формы границы раскрыва.

Недостатком прототипа является необходимость выполнения итерационного процесса, связанного с многократным решением задачи определения комплексных весовых коэффициентов при основном и парциальном лучах в случае формирования расширенной диаграммы направленности.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение быстродействия при формировании расширенной диаграммы направленности за счет отказа от итерационного процесса, связанного с многократным решением задачи определения комплексных весовых коэффициентов при основном и парциальном лучах, а также в максимизации коэффициента направленного действия.

Для решения указанной задачи предлагается способ формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки, основанный на определении амплитудно-фазового распределения в ее раскрыве, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении u₀, выборе пространственных положений парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности. Согласно изобретению формируют расширенную диаграмму направленности тремя парциальными лучами, причем центральный парциальный луч ориентирован в заданном направлении u₀, а два боковых парциальных луча смещены в противоположных относительно центрального луча направлениях на угол u₁, значение угла u₁ выбирают из решения оптимизационной задачи по критерию минимума

,

где

ƒ(u-u₀), ƒ(u-u₀+u₁), ƒ(u-u₀-u_`) - соответственно диаграммы направленности центрального парциального и двух боковых парциальных лучей;

u₀=0,5kLsinθ₀ - направление максимума формируемой диаграммы направленности и центрального парциального луча в обобщенных координатах;

u₁=0,5kLsinθ_l - смещение боковых парциальных лучей относительно максимума формируемой диаграммы направленности в обобщенных координатах;

a - амплитуды отклоненных боковых парциальных лучей;

u=0,5kLsinθ - обобщенная координата;

L - размер раскрыва фазированной антенной решетки в плоскости формирования расширенной диаграммы направленности;

k - волновое число,

определяют амплитуды боковых парциальных лучей в соответствии с выражением

a=(ƒ(Δ)-0,707)(0,707(ƒ(u₁)+ƒ(-u₁))-(ƒ(Δ+u₁)+ƒ(Δ-u₁)))^-1,

где

Δ - полуширина диаграммы направленности суммарного луча по уровню половинной мощности,

а результирующее амплитудно-фазовое распределение в раскрыве фазированной антенной решетки рассчитывают по формуле

A(x)=A₀(x)(1+а(exp(ikxsinθ₁)+exp(-ikxsinθ₁)))=A₀(x)(1+2acos(kxsinθ₁)),

где A₀(x) - амплитудно-фазовое распределение в раскрыве, обеспечивающее формирование центрального парциального луча в направлении u₀.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что в заявленном способе изменена совокупность действий выполнения трех операций:

- изменены действия, связанные с формированием расширенной диаграммы направленности: расширенную диаграмму направленности формируют тремя парциальными лучами (центральным парциальным и двумя боковыми парциальными лучами);

- изменены действия, связанные с определением угла отклонения боковых парциальных лучей;

- изменены действия, связанные с определением уровня боковых парциальных лучей.

При этом изменение порядка действий связано с исключением циклического уточнения амплитудно-фазового распределения.

Изменение трех действий и исключение действия, связанного с циклическим уточнением амплитудно-фазового распределения, позволяет по сравнению со способом-прототипом обеспечить технический результат, заключающийся в повышении быстродействия при формировании расширенной диаграммы направленности за счет отказа от итерационного процесса, связанного с многократным решением задачи определения комплексных весовых коэффициентов при основном и парциальных лучах, а также в максимизации коэффициента направленного действия за счет определения наилучшего угла отклонения боковых парциальных лучей.

Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого изобретения из литературы неизвестно, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

Сущность предлагаемого способа раскрывается фигурами 1-7.

На фигуре 1 приведена структурная схема фазированной антенной решетки, реализующей предлагаемый способ формирования расширенной диаграммы направленности.

На фигуре 2 представлена структурная схема направленного ответвителя с регулируемой связью.

На фигуре 3 изображена структурная схема блока формирования боковых парциальных лучей.

На фигуре 4 графически изображено формирование отклоненного на угол θ₀ расширенного луча линейной фазированной антенной решетки при заданной ширине луча 4 градуса, на фигуре 5 - график, иллюстрирующий определение максимального коэффициента направленного действия при заданной ширине луча 4 градуса.

На фигуре 6 графически показано формирование расширенного луча линейной фазированной антенной решетки при заданной ширине луча 5 градусов (θ₀=-20°, θ₁=3,97°, а=2,6576), на фигуре 7 - график, иллюстрирующий определение максимального коэффициента направленного действия при заданной ширине луча 5 градусов.

При реализации предлагаемого способа формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки выполняют следующую последовательность операций:

- определяют амплитудно-фазовое распределение в ее раскрыве, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении u₀, - 1,

- ориентируют центральный парциальный луч в заданном направлении u₀, - 2;

- определяют смещение u₁ боковых парциальных лучей, расположенных симметрично относительно центрального парциального луча, из решения оптимизационной задачи по критерию максимизации коэффициента направленного действия - 3;

- находят амплитуды боковых парциальных лучей - 4;

- формируют амплитудно-фазовое распределение в раскрыве фазированной антенной решетки в виде алгебраической суммы амплитуды центрального парциального луча и взвешенной суммы амплитуд боковых парциальных лучей - 5.

Фазированная антенная решетка (ФАР), реализующая способ формирования расширенной диаграммы направленности (ДН), содержит N каналов (фигура 1), каждый из которых включает антенный элемент (АЭ) 1, фазовращатель (ФВ) 2, направленный ответвитель с регулируемой связью (НОРС) 3, блок формирования боковых парциальных лучей (БФБПЛ) 4 и канальный сумматор (КС) 5. Все каналы ФАР подключены к сумматору (Σ) 6.

С антенным элементом АЭ 1 последовательно соединены фазовращатель ФВ 2 и направленный ответвитель с регулируемой связью НОРС 3. Первый выход НОРС 3 подключен к входу блока формирования боковых парциальных лучей БФБПЛ 4. Выход БФБПЛ 4 и второй выход НОРС 3 подключены к канальному сумматору КС 5. Выходы канальных сумматоров КС 5 соединены со входами сумматора 6.

Сумматор 6 является выходом ФАР.

В состав направленного ответвителя с регулируемой связью НОРС 3 (фигура 2) входят направленные ответвители (НО) 7 и 8, регулируемые фазовращатели (РФВ) 9 и 10 с фазовым сдвигом (-ϕ) и ϕ, соответственно, и согласованная нагрузка (СН) 11.

Первый вход направленного ответвителя НО 7 является входом НОРС 3 и подключен к фазовращателю ФВ 2 (фигура 1). Ко второму входу НО 7 (фигура 2) подключена согласованная нагрузка СН 11. Выходы НО 7 через регулируемые фазовращатели (РФВ) 9 и 10 с фазовым сдвигом (-ϕ) и ϕ соответственно соединены с входами направленного ответвителя НО 8, выходы 1, 2 которого являются выходами направленного ответвителя с регулируемой связью НОРС 3.

Блок формирования боковых парциальных лучей БФБПЛ 4 (фигура 3) состоит из направленного ответвителя (НО) 12, регулируемых фазовращателей (РФВ) 13 и 14 с фазовым сдвигом (+θ₁) и (-θ₁), канального сумматора (КС) 15 и согласованной нагрузки (СН) 16. Первый вход НО 12 является входом БФБПЛ 4 и подключен к первому выходу направленного ответвителя с регулируемой связью НОРС 3 (фигура 1). Ко второму входу НО 12 (фигура 3) подключена СН 16. Выходы НО 12 через РФВ 13 и 14 с фазовым сдвигом (+θ₁) и (-θ₁) соответственно соединены с входами канального сумматора КС 15, выход которого является выходом БФБПЛ 4.

ФАР, реализующая способ формирования расширенной ДН, работает следующим образом.

Принимаемые антенными элементами АЭ 1 (фигура 1) сигналы поступают на входы фазовращателей ФВ 2, где сигналы фазируются таким образом, чтобы обеспечить их синфазный прием с заданного направления θ₀ (u₀ - в обобщенных координатах), в котором ориентируется центральный парциальный луч. Далее сигналы с выходов ФВ 2 поступают на входы направленных ответвителей с регулируемой связью НОРС 3. На выходах НОРС 3 формируются синфазные сигналы, амплитуды которых на выходах соотносятся как 2a/1, где 2а - удвоенная амплитуда отклоненных боковых парциальных лучей. При этом сигнал со второго выхода, соответствующий амплитуде центрального парциального луча, поступает на второй вход канального сумматора КС 5.

Процесс формирования сигналов в заданном соотношении с помощью направленных ответвителей с регулируемой связью НОРС 3 описан во многих источниках, в частности в [8 - Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ / Под ред. Д.М. Сазонова. М.: Высш. кн. 1981. С. 129-130]. Первый каскад направленного ответвителя с регулируемой связью НОРС 3, представляющий собой направленный ответвитель НО 7 (фигура 2), разделяет сигнал, поступивший с выхода фазовращателя ФВ 2, на две равные части. Фазовые соотношения между частями обеспечиваются вторым каскадом, а именно регулируемыми фазовращателями РФВ 9 и 10 с фазовым сдвигом (-ϕ) и ϕ соответственно. Третий каскад, представляющий собой также направленный ответвитель НО 8, функционирует в режиме суммирования/вычитания мощности и, в зависимости от величины фазового сдвига между двумя равными по амплитуде сигналами на выходах РФВ 9 и 10, на первом выходе НО 8 сигналы суммируются, а на втором выходе вычитаются. В качестве НО 8 и НО 9 могут быть использованы любые направленные восьмиполюсники с равным делением мощности. Отраженные от входов НО 8 и НО 9 волны поглощаются в согласованной нагрузке СН 11.

Сигнал с первого выхода НО 8, соответствующий удвоенной амплитуде 2а, поступает на вход блока формирования боковых парциальных лучей БФБПЛ 4 на первый вход НО 12 (фигура 3), в котором формируются два боковых парциальных луча, разведенные на угол ±θ₁ (u₁ - в обобщенных координатах) относительно центрального парциального луча, то есть на углы (θ₀+θ₁) и (θ₀-θ₁).

Формирование боковых парциальных лучей производится в блоке формирования боковых парциальных лучей БФБПЛ 4 следующим образом.

С помощью НО 12 сигнал, поступивший на вход БФБПЛ 4 (на первый вход НО 12), разделяется на две равные части. Разведение на угол ±θ₁ относительно центрального парциального луча сигналов, соответствующее двум боковым парциальным лучам, осуществляется регулируемыми фазовращателями РФВ 13 и 14 с фазовым сдвигом (+θ₁) и (-θ₁) соответственно. Затем сигналы, соответствующие сформированным боковым парциальным лучам, складываются в канальном сумматоре КС 15. Отраженные от входа и выхода блока формирования боковых парциальных лучей БФБПЛ 5 волны поглощаются в согласованной нагрузке СН 16.

Сигнал с выхода блока формирования боковых парциальных лучей БФБПЛ 4 (фигура 1) поступает на первый вход канального сумматора КС 5.

Сигналы с выходов всех канальных сумматоров КС 5 поступают на входы сумматора Σ 6, и на его выходе формируется выходной сигнал ФАР.

Для подтверждения реализуемости заявляемого способа и доказательства работоспособности проведем его теоретическое обоснование.

Пусть необходимо сформировать ДН ФАР с заданной шириной луча по уровню половинной мощности при помощи трех парциальных одинаковых лучей, первый из которых (центральный) ориентирован в направлении u₀, а два других - в направлениях u₀+u₁ и u₀-u₁ соответственно.

Пусть ДН парциального луча описывается функцией ƒ(u-u'), где u' - направление максимума парциального луча. Тогда формируемая ненормированная ДН описывается суммой:

Норма ДН определяется суммой

При формировании ДН с заданной шириной луча по уровню половинной мощности необходимо потребовать выполнения следующих условий:

В выражении (3) и далее параметр Δ, равный полуширине ДН суммарного луча по уровню половинной мощности, соответствует также направлению, которое отличается от направления максимума ДН u₀ на полуширину луча заданной ДН.

Параметр а с использованием выражений (2) и (3) можно выразить, как функцию от u₁, Δ:

Так как при формировании расширенного луча параметр Δ превышает полуширину центрального парциального луча, то ƒ(Δ)<0.707, а следовательно, числитель отношения (5) всегда имеет отрицательный знак. При u₁→0 получаем, что

Отсюда следует, что при малых углах отклонения боковых парциальных лучей от направления максимума ДН боковые парциальные лучи противофазны центральному парциальному лучу. Однако с увеличением значения u₁ точка Δ+u₁ может принадлежать области первого бокового лепестка, а точки u₁, -u_l, Δ-u₁ - главному лучу. В этом случае знаменатель выражения (5) сначала обращается в нуль, а с дальнейшим ростом u₁ меняет свой знак на отрицательный. Таким образом, множеству значений u₁ могут соответствовать весовые коэффициенты а, при которых парциальные лучи в сумме (1) складываются противофазно или синфазно. В связи с этим следует искать такое значение параметра u₁, которое является оптимальным. В качестве критерия естественным является максимальное значение коэффициента направленного действия (КНД) или минимальное значение интеграла вида:

С учетом полученных ранее соотношений

Из анализа выражения (9) следует, что минимальное значение числителя достигается в случае несинфазных парциальных лучей, т.е. при u₁<u₁₀. В то же время максимальное значение знаменателя связано с увеличением амплитуд парциальных лучей при условии синфазности всех трех парциальных лучей.

Поиск экстремума выражения (9) может быть осуществлен любым известным методом.

Таким образом, предлагаемый подход к формированию расширенного луча ФАР состоит в выполнении следующих шагов:

1) выбор значения параметра u₁, обеспечивающего минимум функционала (9) с учетом того, что параметр а также однозначно связан с величиной u₁;

2) расчет параметра а с использованием выражения (5);

3) формирование амплитудно-фазового распределения в раскрыве ФАР в виде суммы:

где A₀(x) - амплитудно-фазовое распределение в раскрыве ФАР, обеспечивающее формирование центрального парциального луча в направлении u₀.

Проверка сделанных выводов подтверждается на следующем примере.

Пусть

Парциальный луч вида (9) формируется с помощью идеальной линейной ФАР.

На фигуре 4 показан процесс формирования расширенного луча ФАР с шириной 4 градуса, отклоненного на θ₀=-30° (θ₁=2,52°, а=-1,4774), на фигуре 5 приведен график, иллюстрирующий поиск минимального значения интеграла от ДН по мощности (выражение (8)). Как следует из анализа этого графика, максимальное значение КНД достигается при θ₁=2,52°.

На фигуре 6 проиллюстрирован процесс формирования расширенного луча линейной ФАР с шириной 5 градусов, отклоненного на угол θ₀=-20° (θ₁=3,97°, а=2,6576), на фигуре 7 графически изображен поиск максимального КНД линейной ФАР при заданной ширине луча 5 градусов (минимальное значение интеграла от ДН по мощности достигается при θ₁=3,97°).

Из анализа результатов, приведенных на фигуре 6, следует, что при увеличении заданной ширины луча сумма двух крайних парциальных лучей может содержать два одинаковых экстремума. Очевидно, что при разведении максимумов левого и правого парциальных лучей на некоторый угол форма суммарного луча будет искажаться. Сначала суммарный луч будет содержать две вершины. Эта ситуация будет означать, что предел применимости предлагаемого способа достигнут. Проведенные численные исследования показали, что суммарный луч содержит один максимум при условии, что левый и правый парциальные лучи пересекаются по уровню первых его нулей. Применительно к рассматриваемой антенне это соответствует ширине суммарного луча примерно 13,6 градусов и смещению левого и правого парциальных лучей на угол 10,2 градусов относительно центрального луча. Правый и левый лучи при этом пересекаются на уровне «нулей» ДН. Появление двух максимумов ДН говорит о том, что для применения предлагаемого способа необходимо использовать более широкие парциальные лучи.

Проведенные исследования показывают возможность формирования расширенных лучей в линейной антенне с использованием аналитической процедуры, состоящей в том, что при использовании для формирования парциальных лучей амплитудно-фазового распределения A₀(x)=|A₀(x)|exp(-ikxsinθ₀) величина углового смещения двух парциальных лучей θ₁ определяется из условия максимизации (8), а окончательное амплитудно-фазовое распределение вычисляется по формуле (10). При этом в отличие от известных методов формирования ДН несколькими парциальными лучами обеспечивается достижение максимального КНД. Предлагаемый способ может использоваться до тех пор, пока суммарный луч имеет одну вершину. Это условие выполняется, если угол между правым и левым парциальными лучами не превышает ширины парциальных лучей по уровню нулей.

Фазированная антенная решетка, реализующая патентуемый способ, может быть построена на основе широко используемых в разработках и хорошо освоенных в производстве СВЧ приборов (фигура 1: элементы 1, 2, 5, 6; фигура 2: элементы 7-11; фигура 3: элементы 12-16): антенных элементов, аналоговых или цифровых фазовращателей, направленных ответвителей и сумматоров сигналов, направленных ответвителей с регулируемой связью [см., например, 9 - Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. М.: Радиотехника, 2004, с. 66-82, 121-130; 10 - Устройства СВЧ и антенны / Под ред. Д.И. Воскресенского. Изд. 2-е, доп. и перераб. М.: Радиотехника, 2006, с. 87-96]. Для создания электронных узлов хранения, вычислений и управления, входящих в состав элементов 3, 4 на фигуре 1, существует развитая элементная база, в частности программируемые логические интегральные схемы и цифровые сигнальные процессоры, обеспечивающие реализацию функций управления и обработки данных. Необходимыми возможностями обладает отечественный сигнальный контроллер 1892ВМ3Т [11 - Плетнева И.Д. Реализация алгоритмов управления адаптивными антенными решетками на базе цифрового сигнального контроллера // Изв. вузов. Электроника, 2009, №3, с. 61-67].

Таким образом, из приведенных выше материалов, включая результаты численного моделирования, можно сделать вывод о работоспособности заявляемого способа формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки и, как следствие, подтверждается соответствие критерию "промышленная применимость" предложенного способа.

Технический результат от использования заявленного технического решения по сравнению с аналогами и прототипом заключается в повышении быстродействия при формировании расширенной диаграммы направленности за счет отказа от итерационного процесса, связанного с многократным решением задачи определения комплексных весовых коэффициентов при основном и парциальном лучах, а также в максимизации коэффициента направленного действия за счет определения наилучшего угла отклонения боковых парциальных лучей.

Способ формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки, основанный на определении амплитудно-фазового распределения в ее раскрыве, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении u₀, выборе пространственных положений парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности, отличающийся тем, что формируют расширенную диаграмму направленности тремя парциальными лучами, причем центральный парциальный луч ориентирован в заданном направлении u₀, а два боковых парциальных луча смещены в противоположных относительно центрального луча направлениях на угол u₁, значение угла u₁ выбирают из решения оптимизационной задачи по критерию минимума

где

- соответственно диаграммы направленности центрального парциального и двух боковых парциальных лучей;

u₀=0,5kLsinθ₀ - направление максимума формируемой диаграммы направленности и центрального парциального луча в обобщенных координатах;

u₁=0,5kLsinθ₁ - смещение боковых парциальных лучей относительно максимума формируемой диаграммы направленности в обобщенных координатах;

а - амплитуды отклоненных боковых парциальных лучей;

u=0,5kLsinθ - обобщенная координата;

L - размер раскрыва фазированной антенной решетки в плоскости формируемой расширенной диаграммы направленности;

k - волновое число,

определяют амплитуды боковых парциальных лучей в соответствии с выражением

где

Δ - полуширина диаграммы направленности суммарного луча по уровню половинной мощности,

а результирующее амплитудно-фазовое распределение в раскрыве фазированной антенной решетки рассчитывают по формуле

где A₀(x) - амплитудно-фазовое распределение в раскрыве, обеспечивающее формирование центрального парциального луча в направлении u₀.