Авторы: Клинцов Андрей Алекcандрович, Мительштедт Светоcлав Яковлевич, Морозов Герман Алекcеевич, Самулевич Вcеволод Вcеволодович, Сухачева Тамара Ивановна
Изобретение отноcитcя к радиотехнике, а именно к антенной технике, и может быть иcпользовано при проектировании антенных уcтройcтв. Техничеcкий результат заявленного решения состоит в повышении технологичности изготовления, в повышении энергопотенциала, в уменьшении времени обзора полусферического пространства, в повышении точности пеленгования целей и улучшении помехозащищенности. Для достижения технического результата заявленное устройство содержит N плоских фазированных антенных подрешеток, примыкающих друг к другу и расположенных кольцевыми поясами, покрывающими осесимметричную поверхность двойной кривизны, распределительное устройство, соединенное с каналами передачи, и каналы приема. Плоские фазированные антенные подрешетки выполнены одинаковыми по конструкции, в виде приемопередающих активных ФАР с прямоугольной апертурой и расположены так, что в каждом покрывающем кольцевом поясе количество подрешеток кратно трем. В каждом последующем покрывающем поясе меньшего размера количество подрешеток на три меньше, чем в предыдущем покрывающем поясе. Обзор полусферического пространства выполняется фазово-конформным способом одновременно тремя лучами так, что проекции этих лучей на азимутальную плоскость отстоят друг от друга на 120°. 3 ил.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является сферическая квазиконформная фазированная антенная решетка (КФАР), обеспечивающая полусферический обзор, содержащая N плоских фазированных антенных подрешеток, примыкающих друг к другу и расположенных кольцевыми поясами, покрывающими осесимметричную поверхность, несколько превышающую полусферу («Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток)», под ред. Д.И.Воскресенского, М.: Радио и связь, 1981, стр.145-161).
Луч КФАР формируется совокупностью фазированных антенных подрешеток, образующих активную зону КФАР. Требуемое направление луча в пространстве достигается коллимацией лучей каждой подрешетки, входящей в активную зону КФАР, в требуемом направлении. Количество подрешеток, входящих в активную зону КФАР, определяется следующим образом. В активную зону КФАР включают только те подрешетки, которые фазовым способом могут установить свой луч в направлении коллимации. Исходя из того, что амплитуда луча плоской подрешетки при отклонении его от нормали к плоскости раскрыва подрешетки уменьшается пропорционально косинусу угла отклонения, на практике, не допуская значительного уменьшения амплитуды луча, ограничиваются значением угла отклонения, не превышающем 60°. Таким образом, в активную зону включаются только те подрешетки, у которых угол между нормалью к плоскости подрешетки и направлением коллимации не превышает 60°.
Изменение положения луча КФАР в пространстве в пределах верхней полусферы осуществляется фазово-конформным способом, т.е. если в результате традиционного фазового сканирования достигнуто такое положение луча, при котором в некоторых подрешетках требуется отклонить луч более чем на 60°, то такие подрешетки исключаются из активной зоны КФАР, а на противоположном краю КФАР включаются в активную зону подрешетки, у которых угол отклонения луча стал менее 60°. Таким образом, при сканировании активная зона конформно перемещается по поверхности КФАР, сохраняя размеры активной зоны и количество подрешеток в ней. Исключение подрешеток из активной зоны и включение новых подрешеток осуществляется с помощью коммутаторов в приемном и передающем каналах каждой подрешетки.
КФАР, описанная в прототипе, обладает возможностью просмотра всей полусферы с минимальными изменениями диаграммы направленности и вариациями усиления.
На практике, например, в задачах радиолокации при просмотре области, близкой к зениту, допускается снижение усиления КФАР по отношению к областям, близким к горизонту. В общем случае КФАР с осесимметричной поверхностью двойной кривизны позволяет оптимизировать распределение энергопотенциала в зоне обзора пространства и адаптировать его к задачам радиолокации за счет выбора формы поверхности КФАР, однако в прототипе сделать это без потерь энергопотенциала невозможно.
При конформном сканировании в прототипе часть подрешеток оказываются выключенными, т.е. не вся площадь подрешеток одновременно используется, что в конечном итоге приводит к снижению энергопотенциала КФАР.
Кроме того, конформная фазированная антенная решетка, выполненная на базе сферической поверхности, обладает рядом других недостатков. В частности, равномерное распределение плоских фазированных антенных подрешеток, предложенное в прототипе, возможно только при использовании подрешеток с размерами их апертуры, отличающимися в разных поясах, что увеличивает номенклатуру подрешеток. Учитывая, что количество элементарных излучателей в фазированной антенной подрешетке обычно выбирается по закону 2n, подбор требуемых размеров апертуры подрешетки для разных поясов представляет трудновыполнимую технологическую задачу.
Фазированные антенные подрешетки могут быть выполнены в виде активных фазированных приемопередающих подрешеток («Проблемы антенной техники», под ред. Л.Д.Бахраха и Д.И.Воскресенского, М.: Радио и связь, 1989, стр.312-315), чем обеспечивается повышение энергопотенциала по сравнению с пассивными фазированными подрешетками, описанными в прототипе.
Конформная фазированная антенная решетка может быть выполнена с цифровым диаграммообразованием на прием, чем обеспечивается повышение точности пеленгования целей, особенно для низколетящих целей, и повышение помехозащищенности («Проблемы антенной техники», под ред. Л.Д.Бахраха и Д.И.Воскресенского, М.: Радио и связь, 1989, стр.88-100).
Конформная фазированная антенная решетка предлагаемой конструкции лишена недостатков прототипа. Технический результат заявленного решения состоит в повышении технологичности изготовления, в повышении энергопотенциала КФАР за счет полного использования ее поверхности без отключения подрешеток, в уменьшении времени обзора полусферического пространства, в повышении точности пеленгования целей и улучшении помехозащищенности.
Для этого неподвижная квазиконформная фазированная антенная решетка с полусферической рабочей зоной содержит 3N плоских фазированных антенных подрешеток, примыкающих друг к другу и расположенных кольцевыми поясами, покрывающими осесимметричную поверхность двойной кривизны. Плоские фазированные антенные подрешетки выполнены одинаковыми по конструкции в виде приемопередающих активных фазированных антенных решеток с прямоугольной апертурой и расположены так, что в каждом покрывающем кольцевом поясе количество подрешеток кратно трем, а в каждом последующем покрывающем поясе меньшего размера количество подрешеток на три меньше, чем в предыдущем покрывающем поясе. Обзор полусферического пространства выполняется фазово-конформным способом одновременно тремя лучами так, что проекции этих лучей на азимутальную плоскость отстоят друг от друга на 120°. Передающие каналы каждой подрешетки соединены с передатчиком через распределительное устройство.
На выходе канала приема каждой подрешетки включен аналого-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к процессору, выполненному с возможностью суммирования цифровым способом комплексных сигналов, принимаемых через аналого-цифровой преобразователь с каждой подрешетки в пределах каждой трети поверхности КФАР, и возможностью формирования не менее трех антенных приемных лучей в цифровом виде по одному с каждой трети поверхности КФАР.
Процессор выполнен с возможностью формирования одновременно в цифровом виде дополнительного множества приемных лучей различных по форме их диаграммы направленности для компенсации помеховых сигналов.
На Фиг.1 показан внешний вид одной из реализации квазиконформной фазированной антенной решетки с полусферическим обзором, содержащей пять поясов из плоских фазированных антенных подрешеток. В нижнем первом поясе размещена двадцать одна подрешетка, во втором поясе размещены восемнадцать подрешеток, в третьем поясе - пятнадцать подрешеток, в четвертом поясе - двенадцать подрешеток, в пятом поясе - девять подрешеток.
На Фиг.2 приведена структурная схема КФАР.
Квазиконформная фазированная антенная решетка с полусферическим обзором содержит 3N плоских фазированных антенных подрешеток 1, примыкающих друг к другу и расположенных кольцевыми поясами, покрывающими осесимметричную поверхность двойной кривизны, распределительное устройство 2, каналы передачи 3, передатчик 4 и каналы приема 5. На выходе приемного канала 5 каждой подрешетки включен аналого-цифровой преобразователь 6, подключенный к процессору 7, выполненному с возможностью суммирования цифровым способом комплексных сигналов, принимаемых через аналого-цифровой преобразователь с каждой подрешетки в пределах каждой трети поверхности КФАР, и формирования не менее трех антенных приемных лучей в цифровом виде, по одному с каждой трети поверхности КФАР.
Конформная фазированная антенная решетка с полусферической рабочей зоной работает следующим образом.
Энергия зондирующего сигнала вырабатывается передатчиком 4 КФАР и через распределительное устройство 2 поступает на передающие каналы 3 каждой фазированной антенной подрешетки 1. Далее энергия всеми подрешетками излучается в пространство. На поверхности КФАР образуются три активные зоны. В каждую активную зону КФАР входят антенные подрешетки в количестве, равном одной трети от общего количества антенных подрешеток. Каждая активная зона формирует один передающий луч, для чего все элементарные излучатели каждой антенной подрешетки, входящей в активную зону, фазируются так, чтобы направления лучей с каждой подрешетки становились коллинеарными направлению луча данной активной зоны. Тогда энергия, излучаемая каждой подрешеткой активной зоны, синфазно сложится в направлении луча активной зоны. Таким образом, формируется луч активной зоны.
На Фиг.3 представлен принцип формирования трех активных зон КФАР и лучей фазированных антенных подрешеток, коллимированных в направлении луча КФАР. Из фигуры видно, что максимальный угол отклонения луча крайних подрешеток от нормали к этим подрешеткам не превышает 60°.
При сканировании в азимутальной плоскости все три активные зоны синхронно перемещаются по кругу конформным способом. Сканирование по углу места (в вертикальной плоскости) осуществляется фазовым способом каждой активной зоной независимо. При этом нет необходимости отключать приемопередающие каналы КФАР, так как достаточно только перефазировать антенные подрешетки, вновь включенные в переместившуюся активную зону.
В режиме приема энергия электромагнитной волны (ЭМВ), отраженная от цели, в виде синфазной (плоской) волны падает на поверхность КФАР. Фазировка антенных подрешеток активной зоны в режиме приема выполняется такой, чтобы на выходе каждой подрешетки принимаемый сигнал был бы максимальным. Это будет возможным в случае, если направление приемного луча каждой подрешетки фазовым способом установить коллинеарно направлению передающего луча.
Принятый аналоговый комплексный сигнал на выходе каждой подрешетки (в приемном канале 5) проходит процедуру оцифровки в аналого-цифровом преобразователе 6. На выходе каждого аналого-цифрового преобразователя формируется кодовая последовательность, соответствующая квадратурным составляющим принятого подрешеткой комплексного аналогового сигнала. Далее указанные кодовые последовательности поступают на соответствующий вход процессора 7, где в цифровом виде происходит операция их взвешенного сложения и формирование в цифровом виде трех приемных диаграмм направленности, соответствующих трем активным зонам КФАР. Далее эти оцифрованные сигналы поступают на цифровые устройства временной обработки радиолокатора.
Кроме того, процессор выполнен с возможностью формирования дополнительного множества приемных лучей, которые могут использоваться, например, для формирования провалов в диаграмме направленности основного луча активной зоны с целью подавления (компенсации) помеховых сигналов, воздействующих на боковые лепестки основного луча. С помощью дополнительных лучей реализуется метод Уайта для повышения точности измерения координат низколетящих целей в условиях воздействия переотраженных от подстилающей поверхности сигналов.
Возможность одновременного формирования трех активных зон КФАР обеспечивает трехкратное снижение времени обзора по сравнению с прототипом.
