RU2722408C1 - Digital receiving module of active phased antenna array - Google Patents
Digital receiving module of active phased antenna array Download PDFInfo
- Publication number
- RU2722408C1 RU2722408C1 RU2019136693A RU2019136693A RU2722408C1 RU 2722408 C1 RU2722408 C1 RU 2722408C1 RU 2019136693 A RU2019136693 A RU 2019136693A RU 2019136693 A RU2019136693 A RU 2019136693A RU 2722408 C1 RU2722408 C1 RU 2722408C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- digital
- output
- inputs
- group
- outputs
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q21/00—Antenna arrays or systems
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к антенной технике, а именно к активным фазированным антенным решеткам (АФАР) с цифровым формированием и управлением диаграммой направленности и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) с широкоугольным электронным обзором пространства, применяющих в качестве зондирующих импульсов широкополосные линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) сигналы.The invention relates to antenna technology, namely to active phased antenna arrays (AFAR) with digital formation and radiation pattern control and can be used in radar stations (radars) with a wide-angle electronic survey of the space, using broadband linear-frequency-modulated as probing pulses (LFM) signals.
Известны технические решения, направленные на создание приемных модулей (или приемных каналов приемно-передающих модулей). Однако большинство из них предполагает либо применение узкополосных сигналов [1-5], либо широкополосных сигналов при относительно узком секторе электронного сканирования диаграммы направленности [6]. В то же время для решения стоящих перед современными РЛС задач требуется использование сигналов с широким спектром (до десятков процентов от значения несущей частоты). К таким задачам относятся обеспечение помехозащищенности РЛС и повышение ее разрешающей способности по дальности, позволяющей обеспечить распознавание обнаруженных объектов по их дальностным портретам или определить численный состав групповой цели [7].Known technical solutions aimed at creating receiving modules (or receiving channels of receiving and transmitting modules). However, most of them involve either the use of narrow-band signals [1-5] or broadband signals with a relatively narrow sector of electronic scanning of the radiation pattern [6]. At the same time, solving the problems facing modern radars requires the use of signals with a wide range (up to tens of percent of the carrier frequency). Such tasks include providing radar noise immunity and increasing its resolution in range, which allows for the recognition of detected objects by their range portraits or to determine the numerical composition of a group target [7].
При широком спектре излучаемого ЛЧМ-сигнала и широком секторе электронного сканирования на линейный набег фазы на раскрыве линейной АФАР накладывается дополнительный набег фазы, вызванный девиацией частоты ЛЧМ-сигнала, что приводит к искажению диаграммы направленности АФАР в режиме приема. Поэтому в ряде технических решений при широкополосном зондировании цели ограничивают сектор электронного сканирования диаграммы направленности. В качестве примера в [8] приводятся характеристики РЛС типа GBR (Ground Based Radar), SBX (Sea-Based X-band radar), AN/TPY-2, использующих сигналы с шириной спектра порядка 1 ГГц (что позволяет обеспечить разрешающую способность РЛС по дальности 0,15 м), сектор электронного сканирования которых составляет всего 10°, тогда как в узкополосном режиме ширина сектора 120°.With a wide spectrum of the emitted LFM signal and a wide sector of electronic scanning, an additional phase incursion caused by the frequency deviation of the LFM signal is superimposed on the linear phase shift at the aperture of the linear AFAR, which leads to distortion of the radiation pattern of the AFAR in the receiving mode. Therefore, in a number of technical solutions for broadband sounding, targets limit the sector of electronic scanning of the radiation pattern. As an example, in [8], the characteristics of radars such as GBR (Ground Based Radar), SBX (Sea-Based X-band radar), AN / TPY-2, using signals with a spectral width of the order of 1 GHz (which allows providing radar resolution 0.15 m range), the electronic scanning sector of which is only 10 °, while in narrow-band mode the sector width is 120 °.
Проведенный в [9] анализ показал, что дополнительный набег фазы определяется фазовым множителемThe analysis performed in [9] showed that the additional phase incursion is determined by the phase factor
, (1) , (1)
где - девиация частоты ЛЧМ-сигнала, - длительность зондирующего импульса, - номер излучателя линейной АФАР, - шаг решетки, - угол отклонения луча АФАР от нормали к ее раскрыву, - текущее время ().Where - frequency deviation of the chirp signal, - duration of the probe pulse, - number of the emitter linear AFAR, - lattice pitch, - the angle of deviation of the beam AFAR from the normal to its opening, - current time ( )
В [9] предложено при излучении ЛЧМ-сигнала в каждом n-м элементе для выбранного направления фазирования θф компенсировать изменения фазы сигнала за счет девиации частоты Δƒ ЛЧМ-сигнала путем умножения (1) на комплексно сопряженный с ним коэффициентIn [9], when an LFM signal is emitted in each nth element for the selected phasing direction θ f, it is possible to compensate for changes in the phase of the signal by deviating the frequency Δƒ of the LFM signal by multiplying (1) by the complex conjugate coefficient
(2) (2)
Поскольку и фазовый множитель (1), и комплексно сопряженный с ним коэффициент (2) являются функциями времени, они должны формироваться синхронно. В режиме передачи синхронизировать функции (1) и (2) не составляет технической сложности. В этом состоит достоинство способа [9]. Однако в [9] предложено и в режиме приема компенсировать изменение фазы сигнала с выхода n-го антенного элемента для выбранного направления фазирования θф путем умножения на комплексный коэффициент (2), при этом для принимаемого сигнала текущее время t находится интервале значенийSince both the phase factor (1) and the coefficient (2) complex conjugate with it are functions of time, they should be formed synchronously. In transmission mode, synchronizing functions (1) and (2) is not a technical difficulty. This is the advantage of the method [9]. However, in [9], it was also proposed in the reception mode to compensate for the phase change of the signal from the output of the nth antenna element for the selected phasing direction θ f by multiplying by the complex coefficient (2), while for the received signal the current time t is in the range of values
tз ≤ t<tз+τu, (3)t s ≤ t <t s + τ u, (3)
где tз - время запаздывания отраженного от цели сигнала.where t s - the delay time of the signal reflected from the target.
Однако поскольку неизвестна дальность до цели, неизвестно и время запаздывания tз. Даже если дальность до цели измерена, она измерена с погрешностью. Элементарный анализ показывает, что при значении погрешности измерения времени запаздывания Δtз<<τu вносимая дополнительная фазовая погрешность существенно искажает диаграмму направленности АФАР.However, since the distance to the target is unknown, the delay time t s is also unknown. Even if the distance to the target is measured, it is measured with an error. An elementary analysis shows that when the error in measuring the delay time Δt s <<τ u, the introduced additional phase error significantly distorts the directivity pattern of the AFAR.
Таким образом предложенный в [9] способ компенсации фазовых набегов, возникающих при приеме ЛЧМ-сигнала с девиацией частоты Δƒ и при фазировании луча в направлении θф, технически нереализуем. В этом состоит недостаток способа [9].Thus, the method proposed in [9] for compensating phase incursions that occur when receiving an LFM signal with a frequency deviation Δƒ and when phasing the beam in the direction θ f is not technically feasible. This is the disadvantage of the method [9].
Рассмотренный недостаток устранен в техническом решении [10], содержащем последовательно соединенные излучатель модуля, малошумящий усилитель (МШУ), смеситель, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), фильтр спектральных составляющих, а также М фильтров деления широкополосного спектра принимаемого сигнала на М узкополосных участков спектра, две группы синхронных фазовых детекторов (СФД) по М СФД в каждой группе, две группы аналого-цифровых преобразователей (АЦП) по М АЦП в каждой группе, постоянный фазовращатель на 90°, две группы управляемых фазовращателей по М управляемых фазовращателей в каждой группе и два цифровых сумматора. В этом случае широкополосный спектр принимаемого сигнала с помощью М фильтров делится на М узкополосных участковThe considered disadvantage is eliminated in the technical solution [10], which contains a serially connected module emitter, a low noise amplifier (LNA), a mixer, an intermediate frequency amplifier (IFA), a filter of spectral components, as well as M filters for dividing the broadband spectrum of the received signal into M narrow-band sections of the spectrum, two groups of synchronous phase detectors (SFD) by M SFD in each group, two groups of analog-to-digital converters (ADC) by M ADC in each group, a constant 90 ° phase shifter, two groups of controlled phase shifters by M controlled phase shifters in each group, and two digital adder. In this case, the broadband spectrum of the received signal using M filters is divided into M narrow-band sections
, ,
где - участок ширины спектра широкополосного сигнала, для которого выполняется условие узкополосностиWhere - portion of the spectrum bandwidth of the broadband signal for which the narrowband condition is satisfied
где с - скорость света, L - максимальный размер раскрыва АФАР.where c is the speed of light, L is the maximum aperture of the AFAR.
Управление диаграммой направленности АФАР осуществляется для каждого узкополосного i-го спектра () с помощью двух групп управляемых фазовращателей. При этом вносимый фазовый сдвиг для i-го узкополосного участка спектра определяется соотношениемThe AFAR radiation pattern control is carried out for each narrow-band i-th spectrum ( ) using two groups of controlled phase shifters. In this case, the introduced phase shift for the ith narrow-band portion of the spectrum is determined by the relation
, ,
где ƒi - центральная частота i-го узкополосного спектра, n - номер излучателя линейной антенной решетки, d - шаг решетки, с - скорость света, θф - направление фазирования луча.where ƒ i is the center frequency of the i-th narrow-band spectrum, n is the number of the emitter of the linear antenna array, d is the pitch of the array, c is the speed of light, θ f is the direction of phasing of the beam.
Таким образом управление диаграммой направленности АФАР при широкополосном сигнале сводится к управлению при узкополосном сигнале, что исключает появление дополнительных фазовых ошибок на раскрыве антенны, вызванных девиацией частоты зондирующего ЛЧМ-сигнала. В этом состоит достоинство технического решения [10], а к его недостаткам относятся: сложность конструкции аналого-цифрового модуля, низкий коэффициент полезного действия (КПД) и низкая точность фазового управления диаграммой направленности АФАР, обусловленная дискретностью используемых в техническом решении фазовращателей.Thus, the control of the AFAR radiation pattern with a broadband signal is reduced to control with a narrowband signal, which eliminates the appearance of additional phase errors at the aperture of the antenna caused by the frequency deviation of the probe LFM signal. This is the advantage of the technical solution [10], and its disadvantages include: the complexity of the design of the analog-to-digital module, low efficiency (EFFICIENCY) and low accuracy of phase control of the AFAR radiation pattern, due to the discreteness of the phase shifters used in the technical solution.
Указанные недостатки устранены в техническом решении [11], в котором упрощение конструкции аналого-цифрового приемного модуля и повышение его КПД достигнуты за счет исключения из его состава двух блоков управляемых фазовращателей, а повышение точности управления лучом АФАР обеспечено за счет введения двух групп цифровых комплексных умножителей по М умножителей в каждой группе и формирователя цифровых комплексных весовых коэффициентов. Данное техническое решение является наиболее близким к заявленному и выбрано в качестве прототипа. В его состав входят излучатель, малошумящий усилитель, смеситель, усилитель промежуточной частоты, фильтр спектральных составляющих, группа из М делителей на два направления, постоянный фазовращатель на 90°, две группы синхронных фазовых детекторов, состоящие из М детекторов каждая, две группы аналого-цифровых преобразователей (АЦП), состоящие из М АЦП каждая, две группы цифровых комплексных умножителей, состоящие из М умножителей каждая, два цифровых сумматора, выходы которых являются выходами приемного модуля. Второй вход смесителя подключен к выходу первого гетеродина АФАР. Вход постоянного фазовращателя подключен к выходу второго гетеродина АФАР. Управляющие входы АЦП подключены к выходу генератора тактовых импульсов АФАР. Вход формирователя цифровых комплексных коэффициентов соединен с выходом системы управления лучом АФАР. Выбранный в качестве прототипа аналого-цифровой приемный модуль имеет следующие недостатки.These shortcomings were eliminated in the technical solution [11], in which the simplification of the design of the analog-to-digital receiving module and the increase in its efficiency were achieved by eliminating two blocks of controlled phase shifters from its structure, and the improvement of the accuracy of the AFAR beam control was achieved by introducing two groups of digital complex multipliers by M multipliers in each group and shaper of digital complex weighting factors. This technical solution is the closest to the claimed and selected as a prototype. It consists of an emitter, a low-noise amplifier, a mixer, an intermediate-frequency amplifier, a filter of spectral components, a group of M dividers in two directions, a constant 90 ° phase shifter, two groups of synchronous phase detectors, consisting of M detectors each, two groups of analog-to-digital converters (ADC), consisting of M ADCs each, two groups of digital complex multipliers, consisting of M multipliers each, two digital adders, the outputs of which are the outputs of the receiving module. The second input of the mixer is connected to the output of the first local oscillator AFAR. The input of the constant phase shifter is connected to the output of the second AFAR local oscillator. The control inputs of the ADC are connected to the output of the AFAR clock pulse generator. The input of the shaper of digital complex coefficients is connected to the output of the AFAR beam control system. Selected as a prototype analog-to-digital receiving module has the following disadvantages.
В качестве делителей широкого спектра принимаемого сигнала на М узкополосных участков спектра применены аналоговые фильтры, параметры которых изменяются при изменении условий работы (температуры, давления и т.д.), что приводит к неконтролируемой погрешности выходного сигнала, т.е. к искажениям пеленгационной характеристики АФАР [12, с. 46]. Кроме того, наличие большого количества (М) аналоговых фильтров в каждом приемном модуле приводит к повышению стоимости их производства.Analogue filters are used as dividers of a wide range of the received signal into M narrow-band spectral regions, the parameters of which change with changing operating conditions (temperature, pressure, etc.), which leads to an uncontrolled error of the output signal, i.e. to distortions of the direction-finding characteristic of the AFAR [12, p. 46]. In addition, the presence of a large number of (M) analog filters in each receiving module leads to an increase in the cost of their production.
В состав прототипа входят преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, фильтр спектральных составляющих, т.е. обработка принимаемого сигнала, осуществляется на промежуточной частоте, что ограничивает функциональные возможности РЛС по обеспечению требуемой разрешающей способности по дальности, необходимой для распознавания одиночных целей по дальностному портрету, а также для определения численного состава групповой цели. Так, для обеспечения разрешающей способности РЛС по дальности , что необходимо для выделения сигнала от одной цели в составе групповой, ширина спектра зондирующего сигнала должна бытьThe prototype includes a frequency converter, an intermediate frequency amplifier, a filter of spectral components, i.e. processing of the received signal is carried out at an intermediate frequency, which limits the radar's functionality to provide the required resolution in range required to recognize single targets from a long-range portrait, as well as to determine the numerical composition of a group target. So, to ensure the resolution of the radar range , which is necessary to isolate the signal from one target as part of a group, the spectrum width of the probing signal should be
. .
В этом случае промежуточная частота должна быть по крайней мере на порядок выше ширины спектра сигнала, т.е.In this case, the intermediate frequency should be at least an order of magnitude higher than the signal spectrum width, i.e.
В свою очередь частота несущего колебания зондирующего сигнала должна быть по крайней мере на порядок выше промежуточной, т.е. In turn, the frequency of the carrier oscillation of the probe signal should be at least an order of magnitude higher than the intermediate, i.e.
что соответствует длине волны λо=2 см, непригодной для РЛС большой дальности действия ввиду большого затухания волн сантиметрового диапазона в атмосфере. Если потребуется разрешение по дальности , то придется использовать миллиметровый диапазон волн.which corresponds to a wavelength of λ about = 2 cm, unsuitable for long-range radar due to the large attenuation of the waves of the centimeter range in the atmosphere. If range resolution is required then you have to use the millimeter wave range.
В состав приемного модуля-прототипа входят по два АЦП на каждый узкополосный канал. Например, если разрешающая способность РЛС по дальности , то ширина спектра зондирующего сигналаThe composition of the receiving module of the prototype includes two ADCs for each narrowband channel. For example, if the resolution of the radar range , then the width of the spectrum of the probe signal
. .
Тогда несущая частота зондирующего сигнала , что соответствует длине волны λо=0,06 м. Если при этом разрешающая способность по азимуту то линейный размер апертуры антенны в горизонтальной плоскости Исходя из условия узкополосности спектра , примем=4.106 Гц. Тогда количество узкополосных участков спектраThen the carrier frequency of the probe signal , which corresponds to a wavelength of λ about = 0.06 m. If the resolution in azimuth is the linear size of the antenna aperture in the horizontal plane Based on the conditions of narrow-band spectrum accept = 4.10 6 Hz. Then the number of narrow-band sections of the spectrum
следовательно, требуемое количество АЦП составит 2М=250. Наибольший вклад в стоимость приемного модуля вносят АЦП (например, оптовая стоимость двухканального АЦП ADC12DL3200 составляет 2599.95 долларов США за 100 шт. [13]), а количество приемных модулей в составе АФАР может составлять несколько тысяч [14, с. 119], что существенно повышает стоимость ее производства. Кроме того, в [15] приводятся характеристики быстродействующих АЦП, потребляемая мощность которых составляет не менее 3 Вт. Таким образом, при М АЦП в составе одного приемного модуля и при большом количестве таких модулей в составе АФАР (до нескольких тысяч) существенно возрастает стоимость ее эксплуатации.therefore, the required number of ADCs will be 2M = 250. The largest contribution to the cost of the receiving module is made by the ADC (for example, the wholesale cost of a two-channel ADC12DL3200 ADC is 2599.95 US dollars per 100 pcs. [13]), and the number of receiving modules in the AFAR can be several thousand [14, p. 119], which significantly increases the cost of its production. In addition, the characteristics of high-speed ADCs with a power consumption of at least 3 W are given in [15]. Thus, with M ADCs as part of one receiving module and with a large number of such modules as part of AFAR (up to several thousand), the cost of its operation increases significantly.
Задачами изобретения являются снижение стоимости производства приемного модуля и стоимости эксплуатации АФАР, повышение точности формирования пеленгационной характеристики АФАР, расширение функциональных возможностей РЛС по обеспечению высокой разрешающей способности по дальности. Решение указанных задач достигается тем, что в цифровой приемный модуль, содержащий последовательно соединенные излучатель модуля и малошумящий усилитель (МШУ), а также М фильтров деления широкополосного спектра на М узкополосных участков спектра, выход i-го фильтра деления широкополосного спектра () соединен с входом i-го делителя на два направления, первый выход которого соединен с первым входом i-го синхронного фазового детектора (СФД) первой группы, а второй выход соединен с первым входом i-го СФД второй группы, две группы цифровых комплексных умножителей по М умножителей в каждой группе, к первому входу i-го умножителя каждой группы подключен i-й выход формирователя цифровых комплексных коэффициентов, вход которого соединен с выходом системы управления лучом (СУЛ) АФАР, выходы цифровых комплексных умножителей первой группы подключены к входам первого цифрового сумматора, выход которого является первым выходом приемного модуля, а выходы цифровых комплексных умножителей второй группы подключены к входам второго цифрового сумматора, выход которого является вторым выходом приемного модуля, введен аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый вход которого подключен к выходу малошумящего усилителя, а выход подключен к входам всех фильтров деления широкополосного спектра на М узкополосных участков спектра, которые реализованы на цифровых полосовых фильтрах с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтрах), причем вторые входы СФД первой группы и вторые входы СФД второй группы подключены к соответствующим (синусным и косинусным) ортогональным выходам цифрового гетеродина АФАР, общего для всех приемных модулей, вторые входы АЦП и цифровых полосовых фильтров деления широкополосного спектра на узкополосные участки спектра подключены к выходу генератора тактовых импульсов АФАР, общего для всех приемных модулей, выходы всех СФД подключены к вторым входам соответствующих цифровых комплексных умножителей.The objectives of the invention are to reduce the cost of production of the receiving module and the cost of operating the AFAR, increasing the accuracy of forming the direction-finding characteristics of the AFAR, expanding the radar's functionality to provide high resolution in range. The solution of these problems is achieved by the fact that in a digital receiving module containing a serially connected module emitter and a low-noise amplifier (LNA), as well as M filters for dividing the broadband spectrum into M narrow-band sections of the spectrum, the output of the ith filter for dividing the broadband spectrum ( ) is connected to the input of the i-th divider in two directions, the first output of which is connected to the first input of the i-th synchronous phase detector (SFD) of the first group, and the second output is connected to the first input of the i-th synchronous phase detector (second group), two groups of digital complex multipliers according to M multipliers in each group, the i-th output of the digital complex coefficient generator, the input of which is connected to the output of the AFAR beam control system (SUL), is connected to the first input of the i-th multiplier of each group, the outputs of the digital complex multipliers of the first group are connected to the inputs of the first digital an adder whose output is the first output of the receiving module, and the outputs of the digital complex multipliers of the second group are connected to the inputs of the second digital adder, the output of which is the second output of the receiving module, an analog-to-digital converter (ADC) is introduced, the first input of which is connected to the output of the low-noise amplifier, and the output is connected to the inputs of all filters dividing the broadband spectrum into M narrow band sections of the spectrum that are implemented on digital bandpass filters with a finite impulse response (FIR filters), the second inputs of the first group of the SFD and the second inputs of the second group of the connected to the corresponding (sine and cosine) orthogonal outputs of the AFAR digital local oscillator, common to all receiving modules, the second inputs of the ADC and digital bandpass filters dividing the broadband spectrum into narrowband sections of the spectrum are connected to the output of the AFAR clock pulse generator, common to all receiving modules, the outputs of all SFDs are connected to the second inputs of the corresponding digital complex multipliers.
Таким образом, отличия предлагаемого цифрового приемного модуля АФАР от прототипа состоят в следующем:Thus, the differences of the proposed digital receiving module AFAR from the prototype are as follows:
В состав предлагаемого приемного модуля вместо 2М АЦП входит всего один, что делает конструкцию приемного модуля более простой и дешевой, кроме того, значительно уменьшается потребляемая аналого-цифровыми преобразователями мощность. Данное отличие от прототипа позволяет снизить стоимость производства приемного модуля и стоимость эксплуатации АФАР.Instead of a 2M ADC, the proposed receiver module contains only one, which makes the design of the receiver module simpler and cheaper, in addition, the power consumed by analog-to-digital converters is significantly reduced. This difference from the prototype allows to reduce the cost of production of the receiving module and the cost of operating the AFAR.
Аналого-цифровой преобразователь включен между выходом малошумящего усилителя и входами фильтров-делителей широкополосного спектра на узкополосные участки, т.е. цифровая обработка принимаемых сигналов осуществляется без преобразования на промежуточную частоту.An analog-to-digital converter is connected between the output of the low-noise amplifier and the inputs of the filter dividers of the broadband spectrum into narrow-band sections, i.e. Digital processing of the received signals is carried out without conversion to an intermediate frequency.
До определенного времени разработчики АФАР вынуждены были строить приемные модули (или приемные каналы приемно-передающих модулей) по супергетеродинной схеме, так как АЦП и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) с приемлемым для радиолокационных систем динамическим диапазоном могли работать на частотах 100-200 МГц, что приводило к необходимости установки в приемно-передающем модуле преобразователей частоты, так как дискретизация сигналов на несущей частоте была невозможна [16, c.9]. Однако современный уровень технологии АЦП дает возможность проводить аналого-цифровое преобразование сигналов со скоростью до 40 гигавыборок в секунду с 8-10-разрядным разрешением, при этом диапазон входных аналоговых сигналов составляет до 13 ГГц [14, с. 120]. На целесообразность такого решения указывалось в ряде работ [14, 17], например в [14, с. 183] отмечается, что при высоких требованиях к динамическому диапазону и коэффициенту шума приемного тракта его целесообразно реализовывать без частотного преобразования. Однако в рамках данного изобретения отказ от частотного преобразования диктуется прежде всего тем, что в этом случае снимаются ограничения по обеспечению высокой разрешающей способности РЛС по дальности, что необходимо для распознавания типа одиночной цели по дальностному портрету и (или) определения численного состава групповой цели. Такой подход к отказу от частотного преобразования принимаемого сигнала в известной технической литературе отсутствует.Таким образом, данное отличие от прототипа обеспечивает устранение связанных с частотным преобразованием сигнала ограничений по реализации требуемой разрешающей способности по дальности.Until a certain time, AFAR developers had to build receiving modules (or receiving channels of receiving and transmitting modules) according to a superheterodyne circuit, since ADCs and digital-to-analog converters (DACs) with a dynamic range acceptable for radar systems could operate at frequencies of 100-200 MHz, which led to the necessity of installing frequency converters in the transmitting and receiving module, since sampling of signals at the carrier frequency was impossible [16, p. 9]. However, the current level of ADC technology makes it possible to carry out analog-to-digital conversion of signals at a speed of up to 40 gigabytes per second with 8-10-bit resolution, while the range of input analog signals is up to 13 GHz [14, p. 120]. The expediency of such a solution was indicated in a number of works [14, 17], for example, in [14, p. 183] it is noted that with high demands on the dynamic range and noise figure of the receiving path, it is advisable to implement it without frequency conversion. However, in the framework of this invention, the rejection of the frequency conversion is dictated primarily by the fact that in this case the restrictions on ensuring high resolution radar in range are removed, which is necessary for recognizing the type of a single target from a long-range portrait and (or) determining the numerical composition of a group target. There is no such approach to rejecting the frequency conversion of the received signal in the well-known technical literature. Thus, this difference from the prototype eliminates the limitations associated with the frequency conversion of the signal on the implementation of the required range resolution.
В качестве делителей широкополосного спектра на узкополосные участки применены цифровые полосовые КИХ-фильтры, обеспечивающие, в отличие от примененных в прототипе аналоговых фильтров, высокую точность формирования пеленгационной характеристики АФАР и возможность их реализации в виде специализированных программируемых логических интегральных схем [18, 19]. Проведенный в работе [19] анализ показал, что современная элементная база позволяет производить цифровую обработку сигналов в реальном масштабе времени на частотах до 1,5 ГГц, а в ближайшие годы до 20 ГГц.Digital bandwidth FIR filters are used as dividers of the broadband spectrum into narrow-band sections, which, in contrast to the analog filters used in the prototype, provide high accuracy of AFAR direction-finding characteristic formation and the possibility of their implementation in the form of specialized programmable logic integrated circuits [18, 19]. The analysis performed in [19] showed that the modern elemental base allows digital processing of signals in real time at frequencies up to 1.5 GHz, and in the coming years up to 20 GHz.
Указанные отличительные признаки являются существенными, так как обеспечивают получение положительного эффекта, состоящего в снижении стоимости производства приемного модуля и снижении стоимости эксплуатации АФАР по сравнению с прототипом за счет существенного сокращения количества дорогостоящих и потребляющих большую мощность АЦП, в повышении точности формирования пеленгационной характеристики АФАР на основе применения цифровых полосовых КИХ-фильтров, а также в расширении функциональных возможностей РЛС по обеспечению высокой разрешающей способности по дальности за счет исключения частотного преобразования принимаемого сигнала.These distinguishing features are significant, as they provide a positive effect consisting in lowering the cost of manufacturing the receiving module and lowering the cost of operating the AFAR in comparison with the prototype due to a significant reduction in the number of expensive and consuming high power ADCs, in increasing the accuracy of the formation of direction-finding characteristics of the AFAR based on the use of digital bandwidth FIR filters, as well as in expanding the radar's functionality to provide high resolution in range by eliminating the frequency conversion of the received signal.
Сущность изобретения иллюстрируется фигурой 1, на которой приведена структурная схема цифрового приемного модуля АФАР. В состав цифрового приемного модуля входят: 1 - излучатель, 2 - малошумящий усилитель, 3 - АЦП, 4 - группа из М цифровых полосовых КИХ-фильтров деления широкого спектра на узкополосные участки спектра, 5 - группа из М делителей на два направления, 6 и 7 - две группы синхронных фазовых детекторов (СФД), состоящие из М детекторов каждая, 8 - формирователь цифровых комплексных коэффициентов, 9 и 10 - две группы цифровых комплексных умножителей, состоящие из М умножителей каждая, и 11 и 12 - два цифровых сумматора, выходы которых являются выходами цифрового приемного модуля. Управляющие входы АЦП 3 и цифровых фильтров 4 подключены к выходу генератора тактовых импульсов АФАР 15. Вход формирователя цифровых комплексных коэффициентов 8 подключен к выходу 16 системы управления лучом АФАР.The invention is illustrated in figure 1, which shows a block diagram of a digital receiving module AFAR. The digital receiving module includes: 1 - emitter, 2 - low-noise amplifier, 3 - ADC, 4 - a group of M digital bandwidth FIR filters for dividing a wide spectrum into narrow-band sections of the spectrum, 5 - a group of M dividers in two directions, 6 and 7 - two groups of synchronous phase detectors (SFD), consisting of M detectors each, 8 - shaper of digital complex coefficients, 9 and 10 - two groups of digital complex multipliers, consisting of M multipliers each, and 11 and 12 - two digital adders, outputs which are the outputs of the digital receiving module. The control inputs of the
Цифровой приемный модуль работает следующим образом. Принятый излучателем 1 отраженный от цели сигнал поступает на вход малошумящего усилителя 2, который повышает уровень сигнала до величины, достаточной для его аналого-цифрового преобразования АЦП 3. Оцифрованный сигнал с выхода АЦП 3 поступает на входы М цифровых полосовых КИХ-фильтров 4. С выходов цифровых полосовыхКИХ-фильтров 4 узкополосные сигналы поступают на входы М делителей на два направления 5. С первого выхода i-го () делителя 5 сигнал поступает на первый вход i-го синхронного фазового детектора 6 первой группы, а со второго выхода i-го делителя 5 сигнал поступает на первый вход i-го СФД 7 второй группы. Цифровые коды синусоидального опорного напряжения с выхода 13 цифрового квадратурного гетеродина АФАР поступают на вторые входы СФД 6 первой группы, а цифровые коды косинусоидального опорного напряжения с выхода 14 цифрового гетеродина АФАР поступают на вторые входы СФД 7 второй группы.Digital receiving module operates as follows. Received by the emitter 1, the signal reflected from the target is fed to the input of a low-
Синхронные фазовые детекторы 6 и 7 делят поступающие на их входы узкополосные цифровые сигналы на две квадратурные составляющие - синфазную и квадратурную , где k - порядковый номер цифрового отсчета (), T - период дискретизации напряжения сигнала, определяемый в соответствии с теоремой Котельникова и задаваемый генератором тактовых импульсов АФАР 15. Синфазная составляющая сигнала на выходе i-го СФД 6 первой группы может быть представлена в видеSynchronous phase detectors 6 and 7 divide the narrow-band digital signals arriving at their inputs into two quadrature components - in-phase and quadrature where k is the serial number of the digital reference ( ), T is the sampling period of the signal voltage, determined in accordance with the Kotelnikov theorem and set by the
, (4) , (4)
а квадратурная составляющаяand the quadrature component
, (5) , (5)
где - центральная частота i-го узкополосного сигнала,Where is the center frequency of the i-th narrowband signal,
, - цифровые коды амплитуд, а , - цифровые коды фаз напряжений (4) и (5), частота колебаний гетеродина АФАР, равная частоте зондирующего сигнала , - digital codes of amplitudes, and , - digital codes of voltage phases (4) and (5), oscillator frequency of the AFAR local oscillator equal to the frequency of the probe signal
Комплексные огибающие напряжений (4) и (5) имеют видThe complex envelopes of stresses (4) and (5) have the form
, (6) , (6)
, (7) , (7)
Цифровые коды (6) с выхода i-го СФД первой группы 6 поступают на второй вход i-го цифрового комплексного умножителя первой группы 9, а цифровые коды (7) с выхода i-го СФД второй группы 7 поступают на второй вход i-го цифрового комплексного умножителя 10 второй группы.Digital codes (6) from the output of the i-th SFD of the first group 6 go to the second input of the i-th digital complex multiplier of the first group 9, and digital codes (7) from the output of the i-th SFD of the second group 7 go to the second input of the i-th digital complex multiplier 10 of the second group.
На вход блока 8 формирователя цифровых комплексных коэффициентов с выхода 16 системы управления лучом АФАР поступают значения направляющих косинусов углов и , определяющих ожидаемое направление прихода отраженного от цели сигнала. Комплексные цифровые весовые коэффициенты для каждой центральной частоты узкополосного сигнала вычисляются в соответствии с соотношениемAt the input of
, (8) , (8)
где , (9)Where , (9)
c - скорость света, m и n - номера строк и столбцов, на пересечении которых размещены излучатели АФАР, и - шаг решетки вдоль осей OX и OY соответственно.c is the speed of light, m and n are the numbers of rows and columns at the intersection of which are located emitters AFAR, and is the lattice pitch along the OX and OY axes, respectively.
В результате умножения комплексных огибающих напряжений (6) и (7) на комплексные весовые коэффициенты (8) напряжения (6) и (7) получают дополнительный сдвиг по фазе на величину, определяемую соотношением (9). Сигнал с выхода i-го цифрового комплексного умножителя первой группы 9 поступает на i-й вход первого цифрового сумматора 11, а сигнал с выхода i-го цифрового комплексного умножителя второй группы 10 поступает на i-й вход второго сумматора 12. Сумматоры 11 и 12 суммируют цифровые коды соответственно синфазных и квадратурных составляющих узкополосных участков широкополосного спектра. В результате с первого и второго выходов цифрового приемного модуля в систему первичной обработки радиолокационной информации поступают цифровые коды амплитуды и фазы принимаемого данным модулем сигнала.As a result of multiplying the complex envelopes of stresses (6) and (7) by the complex weighting factors (8), the stresses (6) and (7) receive an additional phase shift by an amount determined by relation (9). The signal from the output of the i-th digital complex multiplier of the first group 9 goes to the i-th input of the first
Таким образом, техническая реализация предлагаемого цифрового приемного модуля позволит снизить стоимость его производства и стоимость эксплуатации АФАР, повысить точность формирования ее пеленгационной характеристики АФАР и обеспечить требуемое значение разрешающей способности РЛС по дальности.Thus, the technical implementation of the proposed digital receiving module will reduce the cost of its production and the cost of operating the AFAR, increase the accuracy of the formation of its direction-finding characteristics of the AFAR and ensure the required radar resolution range.
Источники информации, использованные при составлении заявки:Sources of information used in the preparation of the application:
1. Патент США №59430/10, H01Q 3/24. 24.08.1999. Direct Digital Synthesizer Driven Phased Array Antenna.1. US patent No. 59430/10,
2. Патент США №6441783, H01Q 3/22, 27.08.2002. Circuit Module for a Phased Array.2. US patent No. 6441783,
3. Патент РФ №2454763, H01Q 21/00, 27.06.2012. Приемно-передающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ диапазона.3. RF patent No. 2454763, H01Q 21/00, June 27, 2012. Transceiver module of the active phased microwave antenna array.
4. Патент РФ №2206155, H01Q 3/34, 10.06.2003. Приемно-передающий модуль активной фазированной антенной решетки.4. RF patent No. 2206155,
5. Патент РФ №2362268, Н04 В 1/38, 10.02.2009. Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки.5. RF patent No. 2362268, Н04 В 1/38, 02/10/2009. Transceiver module of an active phased array antenna.
6. Патент РФ №2571884, H01Q 21\00, 27.12.2015. Приемо-передающий модуль активной фазированной антенной решетки.6. RF patent No. 2571884, H01Q 21 \ 00, 12/27/2015. Transceiver module of an active phased array antenna.
7. Патент РФ №2513041, G01S 13/52, 20.04.2014. Устройство идентификации воздушных объектов по структуре дальностного портрета.7. RF patent No. 2513041,
8. Абраменков В.В, Васильченко О.В, Муравский А.П. Обработка протяженных сверхширокополосных сигналов в РЛС с электронным сканированием ДНА \ Электромагнитные волны и электронные системы, 2013, т.8, №3, с. 7-14.8. Abramenkov V.V., Vasilchenko O.V., Muravsky A.P. Processing of extended ultra-wideband signals in radars with electronic scanning of the bottom of the beam \ Electromagnetic waves and electronic systems, 2013, vol. 8, No. 3, p. 7-14.
9. Патент РФ №2516683, H01Q 21/00, 20.05.2014. Способ цифрового формирования диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки при излучении и приеме линейно-частотно-модулированного сигнала.9. RF patent No. 2516683, H01Q 21/00, 05.20.2014. A method for digitally generating a radiation pattern of an active phased array antenna when emitting and receiving a linear frequency-modulated signal.
10. Патент РФ №2146076, Н03М 1/12, 27.02.2000. Аналого-цифровой модуль.10. RF patent No. 2146076, H03M 1/12, 02.27.2000. Analog-to-digital module.
11. Патент РФ №2692417, Н03М 1/12; H01Q 21/00, 24.06.2019.. Аналого-цифровой модуль активной фазированной антенной решетки.11. RF patent No. 2692417, H03M 1/12; H01Q 21/00, 06/24/2019 .. Analog-digital module of the active phased antenna array.
12. Гольденберг Л.М. и др. Цифровая обработка сигналов: Справочник. - М.: Радио и связь, 1985. - 312 с.12. Goldenberg L.M. et al. Digital signal processing: Handbook. - M .: Radio and communications, 1985 .-- 312 p.
13. Официальный сайт кампании Texas Instruments Inc.: Стоимость АЦП ADC12DL3200. - URL: http://www.ti.com/product/ADC12DL3200.13. The official website of the Texas Instruments Inc campaign: ADC12DL3200 ADC cost. - URL: http://www.ti.com/product/ADC12DL3200.
14. Добычина Е.М., Малахов Р.Ю. Цифровой приемо-передающий модуль активной фазированной антенной решетки. /Научный вестник МГТУ ГА. - М.: 2014. №209.с.117-123.14. Dobychina E.M., Malakhov R.Yu. Digital transceiver module of an active phased array antenna. / Scientific Bulletin of MSTU GA. - M .: 2014. No. 209. p. 117-123.
15. ADC12DL3200 6.4-GSPS Single-Channel or 3.2-GSPS Dual-Channel, 12-Bit Analog-to-Digital Converter (ADC) With LVDS Interface: Texas Instruments ADC12DL3200. SLVSDR3A -May 2018-Revised September 2018.15. ADC12DL3200 6.4-GSPS Single-Channel or 3.2-GSPS Dual-Channel, 12-Bit Analog-to-Digital Converter (ADC) With LVDS Interface: Texas Instruments ADC12DL3200. SLVSDR3A -May 2018-Revised September 2018.
16. Топчиев. С.А., Никитин М.В. Разработка в ПАО «РАДИОФИЗИКА» РЛС с цифровыми АФАР. / Сборник научных трудов по материалам XIII молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии». - М.: ПАО «Радиофизика», 03.12.2015. с. 7-15.16. Topchiev. S.A., Nikitin M.V. Development in PJSC "RADIOPHYSICS" radar with digital AFAR. / Collection of scientific papers on the materials of the XIII youth scientific and technical conference "Radar and communications - advanced technologies." - M.: PJSC "Radiophysics", 12/03/2015. with. 7-15.
17. Frenzel L. High-Speed Data Converters Make Direct-Sampling Receivers Practical./ Electronic Design. Feb 12, 2019. - URL: https://www.electronicdesign.com/analog/high-speed-data-converters-make-direct-sampling-receivers-practical.17. Frenzel L. High-Speed Data Converters Make Direct-Sampling Receivers Practical./ Electronic Design.
18. Multicore Fixed and Floating-Point Digital Signal Processor. Check for Evaluation Modules (EVM): TMS320C6678. Texas Instruments. TMS320C6672. SPRS708E-November 2010-Revised March 2014.18. Multicore Fixed and Floating-Point Digital Signal Processor. Check for Evaluation Modules (EVM): TMS320C6678. Texas Instruments. TMS320C6672. SPRS708E-November 2010-Revised March 2014.
19. Speed per Milliwatt Rations for Fixed-Points Parcaged Processors/ Berkeley Design Technolog. Inc. Nov.2013.19. Speed per Milliwatt Rations for Fixed-Points Parcaged Processors / Berkeley Design Technolog. Inc. Nov 2013.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019136693A RU2722408C1 (en) | 2019-11-14 | 2019-11-14 | Digital receiving module of active phased antenna array |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019136693A RU2722408C1 (en) | 2019-11-14 | 2019-11-14 | Digital receiving module of active phased antenna array |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2722408C1 true RU2722408C1 (en) | 2020-05-29 |
Family
ID=71067354
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019136693A RU2722408C1 (en) | 2019-11-14 | 2019-11-14 | Digital receiving module of active phased antenna array |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2722408C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2787473C1 (en) * | 2022-03-23 | 2023-01-09 | Акционерное Общество "Национальный институт радио и инфокоммуникационных технологий" (АО "НИРИТ") | Method for analog-to-digital signal processing |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6545630B1 (en) * | 2002-01-23 | 2003-04-08 | Itt Manufacturing Enterprises, Inc. | Efficient beam steering for closed loop polarization agile transmitter |
US20050206564A1 (en) * | 2004-03-19 | 2005-09-22 | Comware, Inc. | Adaptive beam-forming system using hierarchical weight banks for antenna array in wireless communication system |
RU126519U1 (en) * | 2012-09-24 | 2013-03-27 | Дмитрий Давидович Габриэльян | ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY |
RU2692417C2 (en) * | 2017-10-19 | 2019-06-24 | Михаил Григорьевич Вахлов | Analog-digital receiving module of active phased antenna array |
-
2019
- 2019-11-14 RU RU2019136693A patent/RU2722408C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6545630B1 (en) * | 2002-01-23 | 2003-04-08 | Itt Manufacturing Enterprises, Inc. | Efficient beam steering for closed loop polarization agile transmitter |
US20050206564A1 (en) * | 2004-03-19 | 2005-09-22 | Comware, Inc. | Adaptive beam-forming system using hierarchical weight banks for antenna array in wireless communication system |
RU126519U1 (en) * | 2012-09-24 | 2013-03-27 | Дмитрий Давидович Габриэльян | ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY |
RU2692417C2 (en) * | 2017-10-19 | 2019-06-24 | Михаил Григорьевич Вахлов | Analog-digital receiving module of active phased antenna array |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Цифровая обработка сигналов: Справочник/ Л.М. Гольденберг, Б.Д. Матюшкин, М.Н. Поляк - М. Радио и связь, 1985, с. 161-166. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2787473C1 (en) * | 2022-03-23 | 2023-01-09 | Акционерное Общество "Национальный институт радио и инфокоммуникационных технологий" (АО "НИРИТ") | Method for analog-to-digital signal processing |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2374724C1 (en) | Perimetric radar antenna array | |
Rao et al. | Indian MST radar 1. System description and sample vector wind measurements in ST mode | |
RU146508U1 (en) | SHORT-PULSE RADAR WITH ELECTRONIC SCANNING IN TWO PLANES AND WITH HIGH-PRECISE MEASUREMENT OF COORDINATES AND SPEED OF OBJECTS | |
CN110456316B (en) | Multi-channel transceiving correction system and method for multifunctional phased array radar | |
RU2495447C2 (en) | Beam forming method | |
US6700536B1 (en) | System and method for determining a direction of incident electromagnetic signals | |
US20100253574A1 (en) | Weather radar and weather observation method | |
US7812759B2 (en) | Radar apparatus for detection position information of a target by receiving reflection signals reflected by the target with a plurality of reception antennas | |
Spreng et al. | Wideband 120 GHz to 140 GHz MIMO radar: System design and imaging results | |
RU2546999C1 (en) | Short-pulse radar with electronic scanning in two planes and with high-precision measurement of coordinates and speeds of objects | |
US9213095B2 (en) | Combined direction finder and radar system, method and computer program product | |
US5493306A (en) | Phased array antenna system to produce wide-open coverage of a wide angular section with high directive gain and moderate capability to resolve multiple signals | |
RU2496120C2 (en) | Multifunctional multirange scalable radar system for aircraft | |
RU2315332C1 (en) | Radiolocation station | |
RU2402034C1 (en) | Radar technique for determining angular position of target and device for realising said method | |
RU2732803C1 (en) | Method for digital formation of beam pattern of active phased antenna array during radiation and reception of linear-frequency-modulated signals | |
RU2679597C1 (en) | Pulse-doppler airborne radar station operating method during detecting of air target - carrier of radio intelligence and active interference stations | |
CN115728722A (en) | Antenna array of 4D radar, data detection method and 4D radar | |
RU2722408C1 (en) | Digital receiving module of active phased antenna array | |
RU2316021C2 (en) | Multichannel radar system of flight vehicle | |
RU2696274C1 (en) | Small-size multi-mode on-board radar system for equipping promising unmanned and helicopter systems | |
RU2692417C2 (en) | Analog-digital receiving module of active phased antenna array | |
RU2184980C1 (en) | Procedure measuring intensity of electromagnetic field of radio signals and device for its implementation | |
CN212433405U (en) | Low-altitude near-field weak vector signal detection radar system | |
RU2610833C1 (en) | Space scanning method |