RU2787346C1 - Method for forming antenna pattern for side lobe suppression channel in digital phased antenna array - Google Patents

Method for forming antenna pattern for side lobe suppression channel in digital phased antenna array Download PDF

Info

Publication number
RU2787346C1
RU2787346C1 RU2022111279A RU2022111279A RU2787346C1 RU 2787346 C1 RU2787346 C1 RU 2787346C1 RU 2022111279 A RU2022111279 A RU 2022111279A RU 2022111279 A RU2022111279 A RU 2022111279A RU 2787346 C1 RU2787346 C1 RU 2787346C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
antenna
antenna array
channel
phase
array
Prior art date
Application number
RU2022111279A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Иван Васильевич Колбаско
Алексей Викторович Квасов
Артем Викторович Васильев
Сергей Тимофеевич Аверьянов
Original Assignee
Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия воздушно-космической обороны имени Маршала Советского Союза Г.К. Жукова" Министерства обороны Российской Федерации
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия воздушно-космической обороны имени Маршала Советского Союза Г.К. Жукова" Министерства обороны Российской Федерации filed Critical Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия воздушно-космической обороны имени Маршала Советского Союза Г.К. Жукова" Министерства обороны Российской Федерации
Application granted granted Critical
Publication of RU2787346C1 publication Critical patent/RU2787346C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of radio engineering, in particular, to methods for providing the specified properties of the radiation patterns of antennas of radio electronic equipment for spatial selection of interference signals received in the side lobes of the main antenna radiation pattern. The effect is achieved due to the fact that the phase distribution of the antenna array is set in such a way that when the geometric beam rotates in the plane of the antenna array, the beginning of which coincides with its geometric center, the phase weight coefficients that specify the shape of the antenna pattern of the side-lobe suppression antenna for the antenna elements, through which the given beam passes are set equal to the angle by which the beam is rotated relative to the initial value, and the amplitude distribution is given by the Gaussian function of the argument equal to the distance from the geometric center of the antenna array.
EFFECT: formation of the directivity diagram of the antenna of the side-lobe suppression channel of a flat digital phased antenna array in the form of a circle or an ellipse.
1 cl, 8 dwg

Description

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.The method relates to the field of radio engineering and, specifically, to methods for forming the directivity patterns of digital phased antenna arrays (DFA) with specified properties in the interests of spatial selection of interference signals received in the side lobes of the main antenna directivity pattern. TsPAR is understood as a receiving phased antenna array with digital beamforming, in which the signal from each antenna element of the antenna array is amplified, decomposed into quadrature signals and subjected to analog-to-digital conversion, after which it enters the digital beamforming processor, in which the resulting (resulting) diagram (diagrams) ) directivity (DNA) is formed (formed) by summing the signals of all receiving modules, weighted by complex weighting coefficients that specify the amplitude-phase distribution on the antenna array opening. The method can be used in flat antenna arrays of arbitrary shape with digital beamforming for the formation of a side lobe suppression channel (SBL) in radio-electronic means (RES) of radar, radio communications and radio navigation.

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.Known methods of protection against impulse noise based on spatial selection, in particular the method of incoherent interference compensation described in [1 - Handbook of radar, ed. M.I. Skolnik. Per. from English. Under the general editorship. B.C. Willows. Book 2. M.: Technosphere, 2014. p. 1206-1209]. The method involves the use of an additional antenna and an additional receiving channel parallel to the main one. The selection of signals is based on a comparison of the amplitude of the signals received by the main and additional channels. By choosing the power gain of the antenna, it is possible to distinguish signals penetrating through the side lobes from signals received by the main lobe of the main channel radiation pattern. By distinguishing the signals, it is possible to suppress the signals received by the side lobes of the main channel radiation pattern. In the description of this method of combating interference, the requirements for the properties of the radiation pattern of the additional antenna are given, but the method for obtaining them is not indicated.

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.A known method of suppressing interference in the side lobes in antenna arrays with a falling amplitude distribution [2 - Voskresensky D.I. Antennas and microwave devices (designing phased antenna arrays). - 2nd ed., add. and reworked. - M: Radio and communication. 1994. S. 36]. The higher the decay rate of the amplitude distribution to the edges of the aperture, the lower the level of the side lobes of the antenna and the greater the attenuation of interference.

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.However, the use of a decreasing amplitude distribution leads to a decrease in the antenna gain, which limits the possibilities of this method and is its disadvantage. In addition, the minimum achievable level of side lobes of a real antenna array is limited by non-identity and mutual influence of emitters and receiving paths of individual channels.

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.A known method of forming a radiation pattern in an antenna system with electronic beam control [3 - Patent 2395141 (RU). Alekseev O.S., Barinov N.N., Moseychuk G.F., Sinani A.I. Method for forming a radiation pattern in an antenna system with electronic beam control. Class H01Q 3/00, published on July 20, 2010], based on the formation of a highly directional scanning radiation pattern of the antenna system of the main channel and a weakly directional non-scanning radiation pattern of the compensation channel antenna, overlapping the level of side radiation of the highly directional radiation pattern, a branch of a part of the microwave signal received a highly directional antenna system of the main channel, as well as adjusting the level and phase of the microwave signal so that when this branched microwave signal is subsequently summed with the signal received by the weakly directional radiation pattern, a dip is formed in the resulting radiation pattern of the weakly directional antenna in the direction of the axis of the highly directional diagram directivity, and when changing the angular position of the beam of the scanning highly directional pattern in the scanning sector and / or operating frequency to form a dip in the resulting pattern The directivity of the weakly directional antenna further changes the amplitude and phase of the coupled microwave signal.

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).The advantages of the method include a decrease in the direction of the useful signal of the level of the compensation pattern in an antenna system with electronic beam control at any frequency in the operating frequency range, and the disadvantage of this method is the problematic formation of a weakly directional non-scanning pattern, which everywhere overlaps the level of lateral radiation of a highly directional scanning radiation pattern, from which it follows that this method can work in a limited range of angles. With a single antenna element, the weakly directional radiation pattern will be nearly isotropic, but the received signal level will be low. With an increase in the number of antenna elements in a non-scanning radiation pattern, its norm increases, however, as the beam narrows, the interference compensation area is limited. Therefore, to expand the beam, it is necessary to increase the transmission coefficient in the compensation channel and reduce the sensitivity of the receiving system (when the signal is amplified in the compensation channel, noise is also amplified, which increases the likelihood of false positives).

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.Closer in technical essence to the claimed method (prototype) is a method of forming a compensation pattern in a flat antenna array with electronic beam control [4 - Patent 2567120 (RU). A method for forming a compensation radiation pattern in a flat antenna array with electronic beam control / Larin A.Yu., Litvinov A.V., Mishchenko S.E., Pomysov A.S., Shatsky V.V. Class H01Q 3/26, published 11/10/2015]. The method provides the required excess of the level of the compensation channel antenna pattern over the level of side lobes of a highly directional scanning pattern of a flat antenna array (main channel) in a wide sector of angles while maintaining the sensitivity of the receiving system. The essence of the known method is that signals are received by antenna elements of a flat antenna array with electronic beam scanning and summed, forming a highly directional scanning radiation pattern of a flat antenna array using the selected complex amplitudes of the antenna elements, taking into account the required excess of the level of the compensation radiation pattern over the level of side lobes of a highly directional scanning radiation pattern.

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.The formation of a weakly directional radiation pattern is carried out by summing the signals of the antenna elements located in the central orthogonal lines of the flat antenna array with complex amplitudes corresponding to the complex amplitudes of the antenna elements of the flat antenna array in the direction of the useful signal source. To form a compensation pattern, the signal corresponding to a highly directional scanning pattern is subtracted from the signal corresponding to a weakly directional pattern multiplied by a weight coefficient equal to the ratio of the norms of the highly directional scanning and weakly directional patterns when the flat antenna array beam is oriented in the direction normal to the opening plane.

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.The compensation pattern generated by this method provides the required excess of the level of the compensation pattern over the level of the side lobes of the main channel. The side lobes of a flat rectangular antenna array have a maximum level in areas shaped like a pair of orthogonal "ridges", diverging from the center to the edges of the antenna array parallel to its sides (Fig. 1). The generated compensation radiation pattern has a similar comb-like shape. For a flat antenna in the shape of a circle (ellipse), the side lobes of the radiation pattern of the main channel do not have “ridges” (Fig. 2), and therefore the radiation pattern of the compensation channel formed in this way, the comb shape of which is preserved, will not provide the required excess of the antenna radiation pattern level compensation channel above the level of side lobes of a highly directional scanning radiation pattern.

Таким образом, недостатком известного способа является невозможность применения для антенных решеток с отличной от прямоугольной формой.Thus, the disadvantage of the known method is the impossibility of application for antenna arrays with a shape other than rectangular.

В качестве аналога выбран наиболее близкий известный способ [4].As an analogue, the closest known method was chosen [4].

Техническим результатом заявленного изобретения является формирование диаграммы направленности антенны канала ПБЛ плоской ЦФАР в форме круга (эллипса).The technical result of the claimed invention is the formation of the antenna pattern of the PBL channel of a flat TsFAR in the form of a circle (ellipse).

При этом сохраняются свойства аналога:At the same time, the analog properties are preserved:

обеспечение близкого к потенциально-возможному отношения помеха/шум на выходе антенны канала ПБЛ за счет использования при формировании ее ДНА всех элементов ЦФАР;ensuring close to the potential-possible interference/noise ratio at the output of the PBL channel antenna due to the use of all elements of the CFA in the formation of its AP;

формирование ДНА канала ПБЛ с достаточной для практики точностью аппроксимирующей боковые лепестки ДНА основного канала;formation of the DND of the PBL channel with sufficient accuracy for practice approximating the side lobes of the DND of the main channel;

формирование глубокого провала в ДНА канала ПБЛ в области главного луча ДНА основного канала;formation of a deep dip in the DND of the PBL channel in the region of the main beam of the DND of the main channel;

возможность управления направлением ДНА канала ПБЛ совместно с ДНА основного канала.the ability to control the direction of the DND of the PBL channel together with the DND of the main channel.

К свойствам ДНА канала ПБЛ предъявляются следующие требования:The following requirements are imposed on the properties of the DND of the PBL channel:

1. максимально близкая к осевой симметрия (относительно оси, проходящей через геометрический центр антенной решетки перпендикулярно ее плоскости);1. as close as possible to axial symmetry (relative to the axis passing through the geometric center of the antenna array perpendicular to its plane);

2. высокая степень аппроксимации ДНА канала ПБЛ области боковых лепестков ДНА основного канала;2. a high degree of approximation of the DND of the PBL channel in the region of the side lobes of the DND of the main channel;

3. максимально возможный коэффициент усиления ДНА канала ПБЛ в области боковых лепестков ДНА основного канала;3. the maximum possible gain of the DND of the PBL channel in the region of the side lobes of the DND of the main channel;

4. минимально возможный коэффициент усиления ДНА канала ПБЛ в области главного луча ДНА основного канала.4. the minimum possible gain of the PBL channel DND in the region of the main DND beam of the main channel.

5. обеспечение электронного управления направлением ДНА канала ПБЛ, аналогичного управлению ДНА основного канала.5. providing electronic control of the direction of the PBL channel DND, similar to the control of the DND of the main channel.

Требования 1 и 4 в изобретении обеспечены выбором фазового распределения ЦФАР специального вида.Requirements 1 and 4 in the invention are provided by the choice of the phase distribution of the CFA of a special form.

Требования 2 и 3 в изобретении обеспечены выбором амплитудного распределения ЦФАР специального вида.Requirements 2 and 3 in the invention are provided by the choice of the amplitude distribution of the CFA of a special type.

Технический результат достигается формированием амплитудно-фазового распределения специального вида плоской приемной ЦФАР.The technical result is achieved by the formation of the amplitude-phase distribution of a special type of flat receiving TsFAR.

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:The method of forming the DND of the PBL channel in the CFAR, in which the electromagnetic wave is received by the antenna elements of a flat phased antenna array, the signal received by each antenna element is amplified, decomposed into quadrature signals, which are subjected to analog-to-digital conversion, the antenna output signal is formed as a function of all received signals ( weighted sum) taking into account the angular direction of orientation of the main beam of the main channel. The proposed method differs in that:

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;the amplitude weight distribution used in digital diagramming is described by the Gaussian function of the argument equal to the distance from the geometric center of the antenna array to the phase center of the corresponding antenna element;

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.the phase distribution of the non-deflected antenna of the radiation pattern is set in such a way that when the geometric beam rotates in the plane of the antenna array, the beginning of which coincides with its geometric center, the phase weight coefficients for the antenna elements through which this beam passes are set equal to the angle through which the beam is rotated relative to initial value, any direction of the beam can be chosen as the initial value, for one full rotation of the beam the phase addition changes linearly by 2π radians.

Каждый принятый элементарной антенной ЦФАР сигнал взвешивается соответствующим комплексным весовым коэффициентом амплитудно-фазового распределения, взвешенные сигналы суммируются, суммарный сигнал является выходом антенны канала ПБЛ.Each signal received by the elementary TFAR antenna is weighted by the corresponding complex weighting coefficient of the amplitude-phase distribution, the weighted signals are summed, the total signal is the output of the PBL channel antenna.

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.Thus, the claimed method provides the formation of the DND of the PBL channel, which has close to axial symmetry with a "dip" in the direction of the main beam of the DND of the main channel and approximates the level of its side lobes (Fig.3, 4), which makes it possible to form the DND of the PBL channel in a flat TsFAR in the form of a circle (ellipse). Also, in the claimed method, there is no operation of forming the DND of the PBL channel as the difference between two DNDs (weakly directional and highly directional), which distinguishes it from the prototype.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:

На фиг. 1 - нормированная диаграмма направленности антенны основного канала плоской ЦФАР квадратной формы, ε и β - угловые направления отсчитываемые от нормали к плоскости антенны.In FIG. 1 - normalized radiation pattern of the antenna of the main channel of a flat square-shaped TsFAR, ε and β - angular directions measured from the normal to the plane of the antenna.

На фиг. 2 - нормированная диаграмма направленности антенны основного канала плоской ЦФАР в форме круга.In FIG. 2 - normalized antenna pattern of the main channel of the flat TsPAR in the form of a circle.

На фиг. 3 - сечения нормированных диаграмм направленности антенн основного канала (1) и канала ПБЛ (2).In FIG. 3 - sections of the normalized radiation patterns of the antennas of the main channel (1) and the PBL channel (2).

На фиг. 4 - нормированная диаграмма направленности антенны канала ПБЛ ЦФАР в форме круга.In FIG. 4 - normalized antenna pattern of the PBL TsFAR channel in the form of a circle.

На фиг. 5 - сечения нормированных диаграмм направленности канала ПБЛ при различном параметре масштаба γ:In FIG. 5 - cross-sections of the normalized directional patterns of the PBL channel for different scale parameter γ:

3 - γ=0,01;3 - γ=0.01;

4 - γ=0,015;4 - γ=0.015;

5 - γ=0,02;5 - γ=0.02;

6 - γ=0,03;6 - γ=0.03;

7 - γ=0,04;7 - γ=0.04;

8 - γ=0,05;8 - γ=0.05;

9 - γ=0,06;9 - γ=0.06;

10 - γ=0,1.10 - γ=0.1.

На фиг. 6 - фазовое распределение на раскрыве ЦФАР в форме круга, х и у - координаты в плоскости антенной решетки.In FIG. 6 - phase distribution on the opening of the TsFAR in the form of a circle, x and y - coordinates in the plane of the antenna array.

На фиг. 7 - амплитудное распределение на раскрыве ЦФАР в форме круга для γ=0,04.In FIG. 7 - amplitude distribution on the opening of the CFAR in the form of a circle for γ=0.04.

На фиг. 8 - принцип определения фазовых весовых коэффициентов для соответствующих антенных элементов ЦФАР. На фигуре цифрами обозначены:In FIG. 8 shows the principle of determining the phase weights for the respective antenna elements of the CFAR. On the figure, the numbers indicate:

11 - ЦФАР в форме круга;11 - TsFAR in the form of a circle;

12 - геометрический центр ЦФАР;12 - geometric center of the TsFAR;

13 - антенные элементы;13 - antenna elements;

14 - начальное направление от которого отсчитывается угол;14 - the initial direction from which the angle is measured;

15 - геометрический луч;15 - geometric beam;

16 - антенный элемент, через который проходит геометрической луч. Заявленный способ включает:16 - antenna element through which the geometric beam passes. The claimed method includes:

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.Reception of an electromagnetic wave by elements of a flat phased antenna array. Amplification of each of the signals, its decomposition into quadrature signals and their analog-to-digital conversion. Thus, an array of N complex signals is formed, used in digital diagram formation, which consists in the element-by-element summation of all Ν signals, weighted by complex weight coefficients that specify the amplitude-phase distribution of the CFA.

Комплексные весовые коэффициенты могут быть вычислены в соответствии с выражениемComplex weight coefficients can be calculated according to the expression

Figure 00000001
Figure 00000001

где An - амплитудный весовой коэффициент сигнала, принятого и-ым антенным элементом;where A n is the amplitude weighting factor of the signal received by the i-th antenna element;

ϕn - фазовый весовой коэффициент сигнала, принятого n-ым антенным элементом, задающий форму диаграммы направленности антенны подавления боковых лепестков;ϕ n - phase weighting factor of the signal received by the n-th antenna element, defining the shape of the radiation pattern of the side-lobe suppression antenna;

θn - фазовый весовой коэффициент сигнала, принятого и-ым антенным элементом, задающий отклонение диаграммы направленности антенны подавления боковых лепестков от нормали к плоскости антенной решетки;θ n is the phase weighting factor of the signal received by the i-th antenna element, which specifies the deviation of the radiation pattern of the side-lobe suppression antenna from the normal to the plane of the antenna array;

N - число антенных элементов цифровой фазированной антенной решетки;N is the number of antenna elements of the digital phased antenna array;

j - мнимая единица.j is the imaginary unit.

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).When the main beam of the DND of the main channel deviates from the normal to the DND plane due to the control of the phase distribution, similar phase values (θ n ) are added to the phase distribution of DND of the PBL channel, which ensures the deviation of its directivity pattern similarly to the DND of the main channel (requirement 5 for the DND properties is provided PBL channel).

Амплитудные весовые коэффициенты описываются функцией Гаусса от аргумента, равного расстоянию от геометрического центра антенной решетки до фазового центра n-го антенного элементаThe amplitude weighting factors are described by the Gaussian function of the argument equal to the distance from the geometric center of the antenna array to the phase center of the nth antenna element

Figure 00000002
Figure 00000002

где γ - параметр масштаба, зависящий от уровня боковых лепестков ДНА основного канала и закона его изменения;where γ is the scale parameter depending on the level of the side lobes of the DND of the main channel and the law of its change;

xn, yn - координаты фазового центра n-го антенного элемента в прямоугольной системе координат, центр которой совмещен с геометрическим центром антенной решетки.x n , y n - coordinates of the phase center of the n-th antenna element in a rectangular coordinate system, the center of which is aligned with the geometric center of the antenna array.

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.The scale parameter γ, which specifies the amplitude distribution, is chosen so that the DND of the PBL channel most accurately approximates the level of the side lobes of the DND of the main channel that is not deviated from the normal to the CFAA plane.

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.The choice of the scale parameter γ is based on the shape of the radiation pattern of the main channel, which is set by its amplitude-phase distribution. In FIG. Figure 5 shows examples of cross sections of normalized DNDs of the PBL channel for different scale parameters γ. Using this figure, the choice of the most appropriate value of γ can be made. An example of the amplitude distribution at γ=0.04 is shown in Fig. 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 выражениемThe phase coefficients ϕ n are set as follows (Fig. 8). When the geometric beam (15) rotates in the plane of the antenna array (11), the beginning of which coincides with its geometric center (12), the phases ϕ n of the antenna elements through which this beam (16) passes are set equal to the angle α (Fig. 8) on which the beam is rotated relative to the initial direction (14). Any direction of the beam can be chosen as the initial one. For one complete rotation of the beam, the phase addition changes linearly by 2π radians (360°) in accordance with the expression

Figure 00000003
Figure 00000003

где sign - функция знака аргумента, такая, чтоwhere sign is the sign function of the argument, such that

Figure 00000004
Figure 00000004

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.After weighing the received signals by the weight coefficients calculated by the described method, and element-by-element summation of the results, the output complex signal of the PBL channel is formed, which enters the PBL system of the corresponding radio-electronic means. The DND of the PBL channel is shown in Fig. 4. The cross sections of the radiation patterns of the main channel and the PBL channel are shown in FIG. 3.

Результаты, приведенные на фигурах, получены методом математического имитационного моделирования для следующих исходных данных:The results shown in the figures were obtained by mathematical simulation for the following initial data:

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;antenna array in the form of a circle with a diameter of 0.4 m; structure of placement of antenna elements - hexagonal; distance between antenna elements 0.015 m; total number of antenna elements 2587;

диаграмма направленности одного антенного элемента - изотропная; длина волны принимаемого сигнала 0,03 м;the radiation pattern of one antenna element is isotropic; received signal wavelength 0.03 m;

амплитудное распределение основного канала - cos2 на пьедестале 0,3; параметр масштаба амплитудного распределения антенны канала ПБЛ 0,04.amplitude distribution of the main channel - cos 2 on the pedestal 0.3; the scale parameter of the amplitude distribution of the PBL channel antenna is 0.04.

Расчеты диаграмм направленности проведены для диапазона углов по азимуту β и углу места ε в диапазоне ±45°.The radiation patterns were calculated for the range of angles in azimuth β and elevation ε in the range of ±45°.

Приведенные результаты моделирования (фиг. 3-5) демонстрируют достижение заявленного технического результата.The simulation results shown (Fig. 3-5) demonstrate the achievement of the claimed technical result.

ЛитератураLiterature

1. Справочник по радиолокации под ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. Под общей ред. B.C. Вербы. Книга 2. - М.: Техносфера, 2014.1. Handbook of radar, ed. M.I. Skolnik. Per. from English. Under the general editorship. B.C. Willows. Book 2. - M.: Technosphere, 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. 36.2. Voskresensky D.I. Antennas and microwave devices (designing phased antenna arrays). - 2nd ed., add. and reworked. - M.: Radio and communications. 1994, p. 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. 3. Patent 2395141 (RU). Alekseev O.S., Barinov N.N., Moseychuk G.F., Sinani A.I. Method for forming a radiation pattern in an antenna system with electronic beam control. Class H01Q 3/00, published 07/20/2010

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.4. Patent 2567120 (RU). A method for forming a compensation radiation pattern in a flat antenna array with electronic beam control / Larin A.Yu., Litvinov A.V., Mishchenko S.E., Pomysov A.S., Shatsky V.V. Class H01Q 3/26, published 11/10/2015

Claims (1)

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.A method for forming the radiation pattern of an antenna of a side-lobe suppression channel in a digital phased antenna array, in which an electromagnetic wave is received by antenna elements of a flat phased antenna array, the signal received by each antenna element is amplified, decomposed into quadrature signals, which are subjected to analog-to-digital conversion, the output signal of the antenna is formed as a function of all received signals, taking into account the angular direction of the orientation of the main beam of the main channel, characterized in that the amplitude weight distribution used in digital beamforming is described by the Gaussian function of the argument equal to the distance from the geometric center of the antenna array to the phase center of the corresponding antenna element , and the phase distribution of the directivity diagram of the antenna not deviated from the normal is given such that during the rotation of the geometric beam in the plane of the antenna array, the beginning of which coincides with its geometric center, the phase weight coefficients for the antenna elements through which this beam passes are set equal to the angle by which the beam is rotated relative to the initial value, any direction of the beam is chosen as the initial value, for one full rotation of the beam the phase additive changes linearly by 2π radians, each the signal received by the elementary antenna of the digital phased array antenna is weighted by the corresponding complex weighting coefficient of the amplitude-phase distribution, the weighted signals are summed, the total signal is the output of the antenna of the side-lobe suppression channel.
RU2022111279A 2022-04-25 Method for forming antenna pattern for side lobe suppression channel in digital phased antenna array RU2787346C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2787346C1 true RU2787346C1 (en) 2023-01-09

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2810696C1 (en) * 2023-06-29 2023-12-28 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Экспертно-аналитический центр" Method for forming compensational directive diagram in a flat antenna array with electronic beam control

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2116000C1 (en) * 1996-07-04 1998-07-20 Нижегородское высшее зенитное ракетное командное училище противовоздушной обороны Adaptive power-correlation system for suppression of side lobes of antenna directional pattern
US6867726B1 (en) * 1991-12-16 2005-03-15 Lockheed Martin Corporation Combining sidelobe canceller and mainlobe canceller for adaptive monopulse radar processing
RU2395141C1 (en) * 2009-06-02 2010-07-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" Formation method of directivity diagram in antenna system with electronic control of beam
EP2088449B1 (en) * 2008-02-07 2012-06-06 Saab Ab Side lobe suppression
RU2567120C1 (en) * 2014-07-16 2015-11-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Method of forming compensation beam pattern in flat electronically controlled-beam antenna array

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6867726B1 (en) * 1991-12-16 2005-03-15 Lockheed Martin Corporation Combining sidelobe canceller and mainlobe canceller for adaptive monopulse radar processing
RU2116000C1 (en) * 1996-07-04 1998-07-20 Нижегородское высшее зенитное ракетное командное училище противовоздушной обороны Adaptive power-correlation system for suppression of side lobes of antenna directional pattern
EP2088449B1 (en) * 2008-02-07 2012-06-06 Saab Ab Side lobe suppression
RU2395141C1 (en) * 2009-06-02 2010-07-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" Formation method of directivity diagram in antenna system with electronic control of beam
RU2567120C1 (en) * 2014-07-16 2015-11-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Method of forming compensation beam pattern in flat electronically controlled-beam antenna array

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2810696C1 (en) * 2023-06-29 2023-12-28 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Экспертно-аналитический центр" Method for forming compensational directive diagram in a flat antenna array with electronic beam control

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Steyskal Simple method for pattern nulling by phase perturbation
CN108051782B (en) Large-scale phased array difference beam forming system based on subarray division
Mohammed et al. Null steering method by controlling two elements
Sayidmarie et al. Performance of a wide angle and wide band nulling method for phased arrays
US7573419B2 (en) Method and system for unambiguous angle resolution of a sparse wide-band antenna array
Quazi Array beam response in the presence of amplitude and phase fluctuations
Reza et al. Robust concentric circular antenna array with variable loading technique in the presence of look direction disparity
US5596550A (en) Low cost shading for wide sonar beams
RU2787346C1 (en) Method for forming antenna pattern for side lobe suppression channel in digital phased antenna array
RU2674007C1 (en) Located at big elevation angles radar targets elevation angle measuring method
Henault et al. Investigation of a 256-monopole transmit antenna array for over-the-horizon radar in Canada
Moghadam et al. DOA estimation with co-prime arrays based on multiplicative beamforming
RU2330356C1 (en) Method of interference suppression while receiving electromagnetic circularly polarised wave by antenna array of identically oriented radiators
US5302961A (en) Antenna aperture with mainlobe jammer nulling capability
Rahaman et al. Performane analysis of linearly-arranged concentric circular antenna array using robust ODL technique
Urzaiz et al. Digital beamforming on receive array calibration: Application to a persistent X-band surface surveillance radar
Riddolls A Canadian Perspective on Arctic and Polar Over-the-Horizon Radar
RU2647518C2 (en) Method of forming beam pattern of receiving linear antenna array
Mismar et al. Null steering using the minimax approximation by controlling only the current amplitudes
Henderson Matched beam theory for unambiguous broadband direction finding
Kamio et al. An adaptive sidelobe cancellation algorithm for high‐gain antenna arrays
RU2746063C1 (en) The method of angular superresolution in the receiving digital antenna array
Hansen Phased arrays
Nechaev et al. Study of Digital Azimuth-Elevation Beamforming With Directional Antennas in VHF Two-Ray Reflection Propagation Model
RU2269846C1 (en) Mode of separate forming of nulls in a summary and a difference patterns of direction of a monoimpulse phase array antenna