Способ формирования диаграммы направленности антенны канала подавления боковых лепестков в цифровой фазированной антенной решетке
Владельцы патента RU 2787346:
Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия воздушно-космической обороны имени Маршала Советского Союза Г.К. Жукова" Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к области радиотехники, в частности, к способам обеспечения заданных свойств диаграмм направленности антенн радиоэлектронных средств для пространственной селекции помеховых сигналов, принимаемых по боковым лепесткам основной диаграммы направленности антенны. Техническим результатом является формирование диаграммы направленности антенны канала подавления боковых лепестков плоской цифровой фазированной антенной решетки в форме круга или эллипса. Технический результат достигается за счет того, что фазовое распределение антенной решетки задается таким, что при вращении геометрического луча в плоскости антенной решетки, начало которого совпадает с ее геометрическим центром, фазовые весовые коэффициенты, задающие форму диаграммы направленности антенны подавления боковых лепестков для антенных элементов, через которые проходит данный луч, задаются равными углу, на который повернут луч относительно начального значения, а амплитудное распределение задается функцией Гаусса от аргумента, равного расстоянию от геометрического центра антенной решетки. 8 ил.
Способ относится к области радиотехники и, конкретно, к способам формирования диаграмм направленности цифровых фазированных антенных решеток (ЦФАР) с заданными свойствами в интересах пространственной селекции помеховых сигналов, принимаемых по боковым лепесткам основной диаграммы направленности антенны. Под ЦФАР понимается приемная фазированная антенная решетка с цифровым диаграмообразованием, при котором сигнал с каждого антенного элемента антенной решетки усиливается, раскладывается на квадратурные сигналы и подвергается аналого-цифровому преобразованию, после чего поступает в процессор цифрового диаграммообразования, в котором результирующая (результирующие) диаграмма (диаграммы) направленности (ДНА) формируется (формируются) путем суммирования сигналов всех приемных модулей, взвешенных комплексными весовыми коэффициентами, задающими амплитудно-фазовое распределение на раскрыве антенной решетки. Способ может быть использован в плоских антенных решетках произвольной формы с цифровым диаграмообразованием для формирования ДНА канала подавления боковых лепестков (ПБЛ) в радиоэлектронных средствах (РЭС) радиолокации, радиосвязи и радионавигации.
Известны способы защиты от импульсных помех, основанные на пространственной селекции, в частности способ некогерентной компенсации помех, описанный в [1 - Справочник по радиолокации под ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. Под общей ред. B.C. Вербы. Книга 2. М.: Техносфера, 2014. с. 1206-1209]. Способ предполагает использование дополнительной антенны и дополнительного, параллельного основному, приемного канала. Селекция сигналов производится на основе сравнения амплитуды сигналов, принятых основным и дополнительным каналами. За счет выбора коэффициента усиления антенны по мощности можно различать сигналы, проникающие по боковым лепесткам, от сигналов, принимаемых главным лепестком диаграммы направленности основного канала. Различив сигналы, можно осуществить подавление сигналов, принимаемых боковыми лепестками диаграммы направленности основного канала. В описании данного способа борьбы с помехами приводятся требования к свойствам диаграммы направленности дополнительной антенны, однако не указывается способ их получения.
Известен способ подавления помех в области боковых лепестков в антенных решетках со спадающим амплитудным распределением [2 - Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток). - 2-е изд., доп. и перераб. - М: Радио и связь. 1994. С. 36]. Чем выше скорость спадания амплитудного распределения к краям раскрыва, тем ниже уровень боковых лепестков антенны и больше ослабление помех.
Однако использование спадающего амплитудного распределения приводит к снижению коэффициента усиления антенны, что ограничивает возможности данного способа и является его недостатком. К тому же минимально достижимый уровень боковых лепестков реальной антенной решетки ограничен не идентичностью и взаимным влиянием излучателей и приемных трактов отдельных каналов.
Известен способ формирования диаграммы направленности в антенной системе с электронным управлением лучом [3 - Патент 2395141 (RU). Способ формирования диаграммы направленности в антенной системе с электронным управлением лучом / Алексеев О.С., Баринов Н.Н., Мосейчук Г.Ф., Синани А.И. Класс H01Q 3/00, опубликован 20.07.2010 г.], основанный на формировании остронаправленной сканирующей диаграммы направленности антенной системы основного канала и слабонаправленной несканирующей диаграммы направленности антенны компенсационного канала, перекрывающей по уровню боковое излучение остронаправленной диаграммы направленности, ответвлении части СВЧ-сигнала, принятого остронаправленной диаграммой направленности антенной системы основного канала, а также регулировании уровня и фазы СВЧ-сигнала таким образом, чтобы при последующем суммировании этого ответвленного СВЧ-сигнала с сигналом, принятым слабонаправленной диаграммой направленности, в результирующей диаграмме направленности слабонаправленной антенны образовался провал в направлении оси остронаправленной диаграммы направленности, причем при изменении углового положения луча сканирующей остронаправленной диаграммы направленности в секторе сканирования и/или рабочей частоты для образования провала в результирующей диаграмме направленности слабонаправленной антенны дополнительно изменяют амплитуду и фазу ответвленного СВЧ-сигнала.
К достоинствам способа следует отнести уменьшение в направлении на полезный сигнал уровня компенсационной диаграммы направленности в антенной системе с электронным управлением лучом на любой частоте в рабочем диапазоне частот, а недостатком данного способа является проблематичность формирования слабонаправленной несканирующей диаграммы направленности, которая всюду перекрывает по уровню боковое излучение остронаправленной сканирующей диаграммы направленности, из чего следует, что данный способ может работать в ограниченной области углов. При наличии одного антенного элемента слабонаправленная диаграмма направленности будет почти изотропной, однако уровень принимаемого сигнала будет малым. При увеличении числа антенных элементов в не сканирующей диаграмме направленности растет ее норма, однако при сужении луча ограничивается область компенсации помех. Поэтому для расширения луча надо повышать коэффициент передачи в компенсационном канале и снижать чувствительность приемной системы (при усилении сигнала в компенсационном канале одновременно происходит и усиление шумов, увеличивающих вероятность ложных срабатываний).
Более близким по технической сущности к заявляемому способу (прототипом) является способ формирования компенсационной диаграммы направленности в плоской антенной решетке с электронным управлением лучом [4 - Патент 2567120 (RU). Способ формирования компенсационной диаграммы направленности в плоской антенной решетке с электронным управлением лучом / Ларин А.Ю., Литвинов А.В., Мищенко С.Е., ПомысовА.С, Шацкий В.В. Класс H01Q 3/26, опубликован 10.11.2015 г.]. Способ обеспечивает требуемое превышение уровня диаграммы направленности антенны компенсационного канала над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки (основного канала) в широком секторе углов при сохранении чувствительности приемной системы. Сущность известного способа состоит в том, что осуществляют прием сигналов антенными элементами плоской антенной решетки с электронным сканированием лучом и суммируют их, формируя остронаправленную сканирующую диаграмму направленности плоской антенной решетки с использованием выбранных комплексных амплитуд антенных элементов с учетом требуемого превышения уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности.
Формирование слабонаправленной диаграммы направленности производят путем суммирования сигналов антенных элементов, расположенных в центральных ортогональных линейках плоской антенной решетки, с комплекными амплитудами, соответствующими комплекным амплитудам антенных элементов плоской антенной решетки в направлении на источник полезного сигнала. Для формирования компенсационной диаграммы направленности вычитают сигнал, соответствующий остронаправленной сканирующей диаграмме направленности, из сигнала, соответствующего слабонаправленной диаграмме направленности, умноженной на весовой коэффициент, равный отношению норм остронаправленной сканирующей и слабонаправленной диаграмм направленности при ориентации луча плоской антенной решетки в направлении нормали к плоскости раскрыва.
Компенсационная диаграмма направленности, формируемая данным способом обеспечивает требуемое превышение уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков основного канала. Боковые лепестки плоской антенной решетки прямоугольной формы имеют максимальный уровень в областях имеющих форму пары ортогональных «гребней», расходящихся от центра к краям антенной решетки параллельно ее сторонам (фиг. 1). Формируемая компенсационная диаграмма направленности имеет аналогичную гребневидную форму. Для плоской антенны в форме круга (эллипса) боковые лепестки диаграммы направленности основного канала не имеют «гребней» (фиг. 2), а следовательно сформированная данным способом диаграмма направленности компенсационного канала, гребневидная форма которой сохранится, не будет обеспечивать требуемого превышения уровня диаграммы направленности антенны компенсационного канала над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности.
Таким образом, недостатком известного способа является невозможность применения для антенных решеток с отличной от прямоугольной формой.
В качестве аналога выбран наиболее близкий известный способ [4].
Техническим результатом заявленного изобретения является формирование диаграммы направленности антенны канала ПБЛ плоской ЦФАР в форме круга (эллипса).
При этом сохраняются свойства аналога:
обеспечение близкого к потенциально-возможному отношения помеха/шум на выходе антенны канала ПБЛ за счет использования при формировании ее ДНА всех элементов ЦФАР;
формирование ДНА канала ПБЛ с достаточной для практики точностью аппроксимирующей боковые лепестки ДНА основного канала;
формирование глубокого провала в ДНА канала ПБЛ в области главного луча ДНА основного канала;
возможность управления направлением ДНА канала ПБЛ совместно с ДНА основного канала.
К свойствам ДНА канала ПБЛ предъявляются следующие требования:
1. максимально близкая к осевой симметрия (относительно оси, проходящей через геометрический центр антенной решетки перпендикулярно ее плоскости);
2. высокая степень аппроксимации ДНА канала ПБЛ области боковых лепестков ДНА основного канала;
3. максимально возможный коэффициент усиления ДНА канала ПБЛ в области боковых лепестков ДНА основного канала;
4. минимально возможный коэффициент усиления ДНА канала ПБЛ в области главного луча ДНА основного канала.
5. обеспечение электронного управления направлением ДНА канала ПБЛ, аналогичного управлению ДНА основного канала.
Требования 1 и 4 в изобретении обеспечены выбором фазового распределения ЦФАР специального вида.
Требования 2 и 3 в изобретении обеспечены выбором амплитудного распределения ЦФАР специального вида.
Технический результат достигается формированием амплитудно-фазового распределения специального вида плоской приемной ЦФАР.
Способ формирования ДНА канала ПБЛ в ЦФАР, при котором электромагнитная волна принимается антенными элементами плоской фазированной антенной решетки, сигнал принятый каждым антенным элементом усиливается, раскладывается на квадратурные сигналы, которые подвергаются аналого-цифровому преобразованию, выходной сигнал антенны формируется как функция от всех принятых сигналов (взвешенная сумма) с учетом углового направления ориентации главного луча основного канала. Предложенный способ отличается тем, что:
амплитудное весовое распределение, используемое при цифровом диаграмообразовании, описывается функцией Гаусса от аргумента, равного расстоянию от геометрического центра антенной решетки до фазового центра соответствующего антенного элемента;
фазовое распределение не отклоненной от нормали антенны диаграммы направленности задается таким, что при вращении геометрического луча в плоскости антенной решетки, начало которого совпадает с ее геометрическим центром, фазовые весовые коэффициенты для антенных элементов через которые проходит данный луч, задаются равными углу на который повернут луч относительно начального значения, в качестве начального может быть выбрано любое направление луча, за один полный оборот луча фазовая добавка изменяется линейно на 2π радиан.
Каждый принятый элементарной антенной ЦФАР сигнал взвешивается соответствующим комплексным весовым коэффициентом амплитудно-фазового распределения, взвешенные сигналы суммируются, суммарный сигнал является выходом антенны канала ПБЛ.
Таким образом, заявленный способ обеспечивает формирование ДНА канала ПБЛ, имеющей близкую к осевой симметрию с «провалом» в направлении главного луча ДНА основного канала и аппроксимирующей уровень ее боковых лепестков (фиг.3, 4), что обеспечивает возможность формирования ДНА канала ПБЛ в плоской ЦФАР в форме круга (эллипса). Также в заявленном способе отсутствует операция формирования ДНА канала ПБЛ как разности двух ДНА (слабонаправленной и остронаправленной), что отличает его от прототипа.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
На фиг. 1 - нормированная диаграмма направленности антенны основного канала плоской ЦФАР квадратной формы, ε и β - угловые направления отсчитываемые от нормали к плоскости антенны.
На фиг. 2 - нормированная диаграмма направленности антенны основного канала плоской ЦФАР в форме круга.
На фиг. 3 - сечения нормированных диаграмм направленности антенн основного канала (1) и канала ПБЛ (2).
На фиг. 4 - нормированная диаграмма направленности антенны канала ПБЛ ЦФАР в форме круга.
На фиг. 5 - сечения нормированных диаграмм направленности канала ПБЛ при различном параметре масштаба γ:
3 - γ=0,01;
4 - γ=0,015;
5 - γ=0,02;
6 - γ=0,03;
7 - γ=0,04;
8 - γ=0,05;
9 - γ=0,06;
10 - γ=0,1.
На фиг. 6 - фазовое распределение на раскрыве ЦФАР в форме круга, х и у - координаты в плоскости антенной решетки.
На фиг. 7 - амплитудное распределение на раскрыве ЦФАР в форме круга для γ=0,04.
На фиг. 8 - принцип определения фазовых весовых коэффициентов для соответствующих антенных элементов ЦФАР. На фигуре цифрами обозначены:
11 - ЦФАР в форме круга;
12 - геометрический центр ЦФАР;
13 - антенные элементы;
14 - начальное направление от которого отсчитывается угол;
15 - геометрический луч;
16 - антенный элемент, через который проходит геометрической луч. Заявленный способ включает:
Прием электромагнитной волны элементами плоской фазированной антенной решетки. Усиление каждого из сигналов, разложение его на квадратурные сигналы и их аналого-цифровое преобразование. Таким образом формируется массив из N комплексных сигналов, используемых при цифровом диаграмообразовании, состоящем в поэлементном суммировании всех Ν сигналов, взвешенных комплексными весовыми коэффициентами, задающими амплитудно-фазовое распределение ЦФАР.
Комплексные весовые коэффициенты могут быть вычислены в соответствии с выражением
где An - амплитудный весовой коэффициент сигнала, принятого и-ым антенным элементом;
ϕn - фазовый весовой коэффициент сигнала, принятого n-ым антенным элементом, задающий форму диаграммы направленности антенны подавления боковых лепестков;
θn - фазовый весовой коэффициент сигнала, принятого и-ым антенным элементом, задающий отклонение диаграммы направленности антенны подавления боковых лепестков от нормали к плоскости антенной решетки;
N - число антенных элементов цифровой фазированной антенной решетки;
j - мнимая единица.
При отклонении главного луча ДНА основного канала от нормали к плоскости ЦФАР за счет управления фазовым распределением, аналогичные фазовые значения (θn) добавляются к фазовому распределению ЦФАР канала ПБЛ, что обеспечивает отклонение ее диаграммы направленности аналогично ДНА основного канала (обеспечивается требование 5 к свойствам ДНА канала ПБЛ).
Амплитудные весовые коэффициенты описываются функцией Гаусса от аргумента, равного расстоянию от геометрического центра антенной решетки до фазового центра n-го антенного элемента
где γ - параметр масштаба, зависящий от уровня боковых лепестков ДНА основного канала и закона его изменения;
xn, yn - координаты фазового центра n-го антенного элемента в прямоугольной системе координат, центр которой совмещен с геометрическим центром антенной решетки.
Параметр масштаба γ, задающий амплитудное распределение, выбирается таким, чтобы ДНА канала ПБЛ максимально точно аппроксимировала уровень боковых лепестков не отклоненной от нормали к плоскости ЦФАР ДНА основного канала.
Выбор параметра масштаба γ производится исходя из формы диаграммы направленности основного канала, которая задается своим амплитудно-фазовым распределением. На фиг. 5 приведены примеры сечений нормированных ДНА канала ПБЛ при различном параметре масштаба γ. Пользуясь данной фигурой может быть произведен выбор наиболее подходящего значения γ. Пример амплитудного распределения при γ=0,04 приведен на фиг. 7.
Фазовые коэффициенты ϕn задаются следующим образом (Фиг. 8). При вращении геометрического луча (15) в плоскости антенной решетки (11), начало которого совпадает с ее геометрическим центром (12), фазы ϕn антенных элементов, через которые проходит данный луч (16), задаются равными углу α (фиг. 8) на который повернут луч относительно начального направления (14). В качестве начального может быть выбрано любое направление луча. За один полный оборот луча фазовая добавка изменяется линейно на 2π радиан (360°) в соответствии с выражением
где sign - функция знака аргумента, такая, что
После взвешивания принятых сигналов, вычисленными описанным способом весовыми коэффициентами, и поэлементном суммировании результатов, формируется выходной комплекный сигнал канала ПБЛ, который поступает в систему ПБЛ соответствующего радиоэлектронного средства. ДНА канала ПБЛ приведена на фиг. 4. Сечения диаграмм направленности основного канала и канала ПБЛ приведены на фиг. 3.
Результаты, приведенные на фигурах, получены методом математического имитационного моделирования для следующих исходных данных:
антенная решетка в форме круга диаметром 0,4 м; структура размещения антенных элементов - гексагональная; расстояние между антенными элементами 0,015 м; общее число антенных элементов 2587;
диаграмма направленности одного антенного элемента - изотропная; длина волны принимаемого сигнала 0,03 м;
амплитудное распределение основного канала - cos2 на пьедестале 0,3; параметр масштаба амплитудного распределения антенны канала ПБЛ 0,04.
Расчеты диаграмм направленности проведены для диапазона углов по азимуту β и углу места ε в диапазоне ±45°.
Приведенные результаты моделирования (фиг. 3-5) демонстрируют достижение заявленного технического результата.
Литература
1. Справочник по радиолокации под ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. Под общей ред. B.C. Вербы. Книга 2. - М.: Техносфера, 2014.
2. Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток). - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Радио и связь. 1994. С. 36.
3. Патент 2395141 (RU). Способ формирования диаграммы направленности в антенной системе с электронным управлением лучом / Алексеев О.С., Баринов Н.Н., Мосейчук Г.Ф., Синани А.И. Класс H01Q 3/00, опубликован 20.07.2010 г.
4. Патент 2567120 (RU). Способ формирования компенсационной диаграммы направленности в плоской антенной решетке с электронным управлением лучом / Ларин А.Ю., Литвинов А.В., Мищенко С.Е., Помысов А.С., Шацкий В.В. Класс H01Q 3/26, опубликован 10.11.2015 г.
Способ формирования диаграммы направленности антенны канала подавления боковых лепестков в цифровой фазированной антенной решетке, при котором электромагнитная волна принимается антенными элементами плоской фазированной антенной решетки, сигнал, принятый каждым антенным элементом, усиливается, раскладывается на квадратурные сигналы, которые подвергаются аналого-цифровому преобразованию, выходной сигнал антенны формируется как функция от всех принятых сигналов с учетом углового направления ориентации главного луча основного канала, отличающийся тем, что амплитудное весовое распределение, используемое при цифровом диаграммообразовании, описывается функцией Гаусса от аргумента, равного расстоянию от геометрического центра антенной решетки до фазового центра соответствующего антенного элемента, а фазовое распределение не отклоненной от нормали антенны диаграммы направленности задается таким, что при вращении геометрического луча в плоскости антенной решетки, начало которого совпадает с ее геометрическим центром, фазовые весовые коэффициенты для антенных элементов, через которые проходит данный луч, задаются равными углу, на который повернут луч относительно начального значения, в качестве начального выбрано любое направление луча, за один полный оборот луча фазовая добавка изменяется линейно на 2π радиан, каждый принятый элементарной антенной цифровой фазированной антенной решетки сигнал взвешивается соответствующим комплексным весовым коэффициентом амплитудно-фазового распределения, взвешенные сигналы суммируются, суммарный сигнал является выходом антенны канала подавления боковых лепестков.
