RU2810696C1 - Способ формирования компенсационной диаграммы направленности в плоской антенной решетке с электронным управлением лучом - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к антенной технике. Технический результат - повышение чувствительности компенсационной диаграммы направленности (ДН) к источникам помех и расширение пространственной области. Осуществляют формирование остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки осуществляют с использованием выбранных комплексных амплитуд антенных элементов с учетом требуемого превышения уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности и с заданной нелинейной фазовой подставкой, формирование слабонаправленной диаграммы направленности осуществляют путем суммирования сигналов антенных элементов, расположенных в ортогональных подрешетках из трех и более линейных антенных решеток плоской антенной решетки, с комплексными амплитудами, соответствующими комплексным амплитудам антенных элементов плоской антенной решетки в направлении на источник полезного сигнала с такой же нелинейной фазовой подставкой, как и при формировании остронаправленной диаграммы направленности. 9 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах локации и связи при приеме электромагнитных волн плоской антенной решеткой с электронным управлением лучом в условиях воздействия помех, направления приема которых неизвестны.

Известны способы активной борьбы с помехами, в частности способ когерентной компенсации помех, описанный в [1 - Защита от радиопомех / М.В. Максимов, М.П. Бобнев, Б.Х. Кривицкий и др.; Под. ред. М.В. Максимова. - М.: Сов. радио. 1976. - С.220, 234]. В соответствии со способом, производят прием сигнала помехи остронаправленной антенной основного канала и слабонаправленной антенной компенсационного канала, диаграмма направленности (ДН) которой охватывает область боковых лепестков ДН основного канала, при этом на выходах основного и компенсационного каналов путем регулировки уровня помехи и фазового сдвига в компенсационном канале создают одинаковые по интенсивности и противоположные по фазе сигналы помех, которые при суммировании взаимно компенсируются, а сигнал пеленгуемого направления проходит через сумматор с минимальными искажениями, поскольку для него соотношения амплитуд и фаз, требуемые для подавления, соблюдаться не будут. Способ реализован в классическом амплитудном компенсаторе помех, который представляет собой двухканальную систему, включающую в свой состав две антенны: направленную, в основном канале, и слабонаправленную - в компенсационном канале. Способ позволяет осуществить компенсацию помехи при условии, что ДН антенны в компенсационном канале и ДН антенны в основном канале в области боковых лепестков идентичны, а в направлении области главного лепестка антенны основного канала в ДН антенны компенсационного канала сформирован нуль.

Недостатком способа является то, что на практике нуль образуют только в направлении максимума главного лепестка антенны основного канала. При отклонении от этого максимума вследствие перекомпенсации появляется ослабление полезного сигнала, источник которого находится в области главного лепестка ДН антенны основного канала.

Для подавления помех в широком секторе углов указанный способ реализуют в многоканальных компенсаторах помех, где каждая ДН в конкретном компенсационном канале отвечает за свой сектор углов. В этом случае в каждом компенсационном канале в определенном секторе углов обеспечивают заданное превышение уровня ДН антенны компенсационного канала над уровнем боковых лепестков ДН антенны основного канала [2 -Адаптивная компенсация помех в каналах связи / Ю.И. Лосев, А.Г. Бердников, Э.Ш. Гойхман, Б.Д. Сизов; Под ред. Ю.И. Лосева. - М.: Радио и связь. 1988. С.134-136].

Недостатком многоканальных компенсаторов помех является их значительная сложность.

Известен ряд способов формирования ДН фазированной антенной решетки с провалами в направлениях, соответствующих источникам помех. Так, известен способ формирования ДН линейной фазированной антенной решетки с провалами в направлениях, соответствующих источникам помех [3 - RU 2431222.Способ подавления боковых лепестков диаграммы направленности линейной фазированной антенной решетки / Гаврилова С.Е., Грибанов А.Н., Мосейчук Г.Ф., Чубанова О.А. Класс H01Q 3/26, опубликован 10.10.2011 г. ], основанный на оценке уровня исходной ДН фазированной антенной решетки, выделении в раскрыве двух М-элементных подрешеток, расположенных на краях исходной, и введении фазовых поправок со знаком минус для элементов одной подрешетки и со знаком плюс для элементов другой подрешетки, причем величины фазовых поправок для всех элементов подрешеток выбирают равными по абсолютному значению из условия заданной величины подавления и ширины углового сектора подавления боковых лепестков.

Аналогом вышеописанного способа является способ, описанный в [4 - RU 2123743. Способ формирования нуля диаграммы направленности фазированной антенной решетки. / Мануйлов Б.Д., Башлы П.Н. Класс H01Q 3/26, опубликован 20.12.1998 г.]

Недостатком двух известных способов является то, что подавление бокового излучения гарантируется лишь в определенном угловом секторе.

Известен способ подавления помех в области боковых лепестков в антенных решетках со спадающим амплитудным распределением [5 - Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток). - 2-е изд., доп.и перераб. - М: Радио и связь. 1994. С.36]. Чем выше скорость спадания амплитудного распределения к краям раскрыва, тем ниже уровень боковых лепестков антенны и больше ослабление помех.

Однако использование спадающего амплитудного распределения приводит к снижению энергетики антенны, что ограничивает возможности данного способа и является недостатком этого способа.

Известен способ когерентной компенсации помех, предложенный в [1, с. 220]. Он состоит в том, что осуществляют прием сигналов и помех с помощью приемной антенны основного канала, ориентируя ее в направлении сигнала, производят прием помех, действующих по боковым лепесткам ДН приемной антенны основного канала, теми или иными средствами на выходах усилителей высокой или промежуточной частоты формируют противоположные по фазе помеховые сигналы основного и компенсационного приемников, напряжения основного и компенсационного приемников с учетом весовых коэффициентов суммируют, при этом осуществляют когерентную компенсацию помех, действующих по боковым лепесткам ДН приемной антенны основного приемника.

К недостаткам данного способа следует отнести следующее. Учитывая, что в качестве антенны компенсационного канала чаще всего используют ненаправленную антенну с фиксированным положением нуля ДН, возможно ослабление полезного сигнала. При использовании направленной антенны в компенсационном канале, формирующей нуль в предполагаемом направлении прихода сигнала, не исключается возможность попадания составляющей полезного сигнала в компенсационный канал при приходе сигнала с другого направления. Кроме того, ДН антенны компенсационного канала, как правило, отличается от ДН антенны основного канала, что приводит к снижению эффективности когерентной компенсации помех при подавлении нескольких помех.

Известен способ формирования компенсационной ДН [6 - патент 2395141 (RU). Способ формирования компенсационной 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 сканирующей остронаправленной ДН антенной системы основного канала и слабонаправленной несканирующей ДН антенны компенсационного канала, перекрывающей по уровню боковое излучение остронаправленной ДН, ответвлении части СВЧ-сигнала, принятого остронаправленной ДН 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 ДН, в результирующей ДН слабонаправленной антенны образовался провал в направлении оси остронаправленной ДН, причем при изменении углового положения луча сканирующей остронаправленной ДН в секторе сканирования и/или рабочей частоты для образования провала в результирующей ДН слабонаправленной антенны дополнительно изменяют амплитуду и фазу ответвленного СВЧ-сигнала.

К достоинствам способа следует отнести уменьшение в направлении на сигнал уровня компенсационной ДН в антенной системе с электронным управлением лучом на любой частоте в рабочем диапазоне частот, а недостатком данного способа является проблематичность формирования слабонаправленной несканирующей ДН, которая всюду перекрывает по уровню боковое излучение остронаправленной сканирующей ДН, из чего следует, что данный способ может работать в ограниченной области углов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу (прототипом) является способ формирования компенсационной ДН в плоской антенной решетке (АР) с электронным управлением лучом [7 - Патент 2567120 (RU). Способ формирования компенсационной диаграммы направленности в антенной системе 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.], основанный на том, что осуществляют прием сигналов антенными элементами плоской АР с электронным сканированием лучом и суммируют их, формируя остронаправленную сканирующую ДН плоской АР с использованием выбранных комплексных амплитуд антенных элементов с учетом требуемого превышения уровня компенсационной ДН над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей ДН. Формирование слабонаправленной ДН производят путем суммирования сигналов антенных элементов, расположенных в центральных ортогональных линейках плоской АР, с комплексными амплитудами, соответствующими комплексным амплитудам антенных элементов плоской АР в направлении на источник полезного сигнала. Для формирования компенсационной ДН вычитают сигнал, соответствующий остронаправленной сканирующей ДН, из сигнала, соответствующего слабонаправленной ДН, умноженного на весовой коэффициент, равный отношению норм остронаправленной сканирующей и слабонаправленной ДН при ориентации луча плоской АР в направлении нормали к плоскости раскрыва.

Первый недостаток известного способа заключается в том, что для плоского раскрыва с произвольной формы границы или при отказах части приемных каналов может потребоваться иная структура боковых лепестков компенсационной ДН, которую данный способ не обеспечивает. Второй недостаток состоит в том, что число элементов, участвующих в формировании слабонаправленной ДН, всегда ограничено. Число соседних центральных линеек вдоль каждого координатного направления не может превышать двух. В противном случае в слабонаправленной ДН, формируемой согласно прототипу, будут появляться провалы.

При формировании ДН компенсационного канала главная задача состоит в том, чтобы эта ДН в заданной пространственной области перекрывала боковые лепестки ДН основного канала. Предположим, что плоская АР содержит антенных элементов. Тогда при когерентном и равноамплитудном сложении сигналов норма ДН основного канала будет равна . При формировании компенсационной ДН используем по две ортогональные линейки. В этом случае норма ДН компенсационного канала будет равна . В результате, например, при уровень компенсационной ДН будет ниже минус 18 дБ. Это означает, что равноамплитудное суммирование неприемлемо, поскольку уровень боковых лепестков ДН основного канала при равномерном суммировании равен минус 13 дБ. В связи с этим в основном канале при формировании ДН обычно используют спадающее амплитудное распределение, при котором уровень боковых лепестков ниже минус 20 дБ.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение чувствительности компенсационной ДН к источникам помех и расширение пространственной области, в которой достигается перекрытие компенсационной ДН боковых лепестков ДН основного канала.

Для решения указанной технической проблемы предлагается способ формирования компенсационной диаграммы направленности в плоской антенной решетке с электронным управлением лучом, основанный на формировании остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки и слабонаправленной диаграммы направленности, перекрывающей по уровню боковое излучение остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки, а также получении компенсационной диаграммы направленности путем вычитания остронаправленной сканирующей диаграммы направленности из слабонаправленной диаграммы 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.

Согласно изобретению, формирование остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки осуществляют с использованием выбранных комплексных амплитуд антенных элементов с учетом требуемого превышения уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности и с заданной нелинейной фазовой подставкой, формирование слабонаправленной диаграммы направленности производят путем суммирования сигналов антенных элементов, расположенных в ортогональных подрешетках из трех и более линейных антенных решеток плоской антенной решетки, с комплексными амплитудами, соответствующими комплексным амплитудам антенных элементов плоской антенной решетки в направлении на источник полезного сигнала с такой же нелинейной фазовой подставкой, как и при формировании остронаправленной диаграммы направленности.

В таблице 1 приведены результаты сопоставления операций, выполняемых при реализации способа-прототипа и предлагаемого способа.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявленный способ отличается тем, что изменены режимы выполнения двух действий, а именно:

- режим выполнения действия, связанного с формированием остронаправленной диаграммы направленности:

при формировании остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки осуществляют с использованием выбранных комплексных амплитуд антенных элементов с учетом требуемого превышения уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности и с заданной нелинейной фазовой подставкой;

- режим выполнения действия, связанного с формированием слабонаправленной диаграммы направленности:

путем суммирования сигналов антенных элементов, расположенных в ортогональных подрешетках из трех и более линейных антенных решеток плоской антенной решетки, с комплексными амплитудами, соответствующими комплексным амплитудам антенных элементов плоской антенной решетки в направлении на источник полезного сигнала с такой же нелинейной фазовой подставкой, как и при формировании остронаправленной диаграммы направленности.

Технический результат - повышение устойчивости компенсационной диаграммы к структуре боковых лепестков ДН основного канала при изменении формы раскрыва, появлении отказов.

Изменение режима выполнения двух операций позволяет сделать компенсационную ДН более равномерной в широком секторе углов.

Предлагаемое изобретение не известно из уровня техники, а также не известны источники информации, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а также свойства, совпадающие со свойствами заявляемого решения, поэтому можно считать, что оно обладает существенными отличиями, вытекает из них неочевидным образом и, следовательно, соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

На фигуре 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

На фигурах 2 и 3 приведены формируемые остронаправленная и слабонаправленная ДН согласно предлагаемому способу.

На фигуре 4 приведена фазовая подставка для формирования компенсационной ДН при ориентации нуля ДН по нормали к раскрыву.

На фигуре 5 приведена компенсационная ДН, формируемая согласно предлагаемого способа при ориентации нуля ДН по нормали к раскрыву.

На фигуре 6 приведена пространственная диаграмма для предлагаемого способа, на которой черным цветом показаны области, в которых ДН основного канала превышает уровень компенсационной ДН, хотя бы на 4 дБ, а серым цветом - напротив, уровень компенсационной ДН выше ДН основного канала на 4 дБ и более.

На фигуре 7 показаны аналогичные результаты, при использовании компенсационной ДН, полученной согласно способу-прототипу.

На фигурах 8 и 9 приведены аналогичные пространственные диаграммы, на которых рассмотрена антенная решетка с отказами 20% каналов. При этом фигура 8 получена при использовании предлагаемого способа, а фигура 9 -способа-прототипа.

При реализации способа формирования компенсационной диаграммы направленности в плоской антенной решетке с электронным управлением лучом выполняется следующая последовательность операций:

- осуществляют прием сигналов антенных элементов 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 и с заданной нелинейной фазовой подставкой;

- формируют слабонаправленную диаграмму направленности, перекрывающую по уровню боковое излучение остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки, путем суммирования сигналов антенных элементов, расположенных в ортогональных подрешетках из трех и более линейных антенных решеток плоской антенной решетки, с комплексными амплитудами, соответствующими комплексным амплитудам антенных элементов плоской антенной решетки в направлении на источник полезного сигнала с такой же нелинейной фазовой подставкой, как и при формировании остронаправленной диаграммы направленности;

- получают компенсационную диаграмму направленности путем вычитания остронаправленной сканирующей диаграммы направленности из слабонаправленной диаграммы 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.

Использование в качестве плоской АР с электронным управлением лучом цифровой АР позволяет совместить антенны основного и компенсационного каналов в одном раскрыве [8 - Добычина Е. М., Шмачилин П. А. Построение цифровых антенных решеток для современных радиоэлектронных систем // Антенны. 2011.№3.С.36 - 46].

Рассмотрим реализацию способа с помощью устройства, приведенного на фиг.1.

В состав устройства входят: 1 - антенные элементы (АЭ) цифровой АР, 2 - многоканальный блок усиления и преобразования частоты (БУПЧ), 3 -многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 4 -диаграммообразующая схема (ДОС), 5 -блок формирования остронаправленной сканирующей ДН плоской АР (БФОДН), 6 - блок хранения весовых коэффициентов и нелинейной фазовой подставки (БФКНП), 7 - блок формирования слабонаправленной ДН (БФСДН), 8 - блок формирования и хранения весового коэффициента (БВК), равного отношению норм остронаправленной сканирующей и слабонаправленной ДН плоской АР при ориентации луча плоской АР в направлении нормали к плоскости раскрыва, 9 - блок умножения (БУ), 10 - блок вычитания (БВ), обеспечивающий формирование сигнала, соответствующего компенсационной ДН.

Совокупность сигналов и помех, принятая АЭ 1 цифровой АР, после выполнения необходимых действий, связанных с усилением и преобразованием частоты в БУПЧ 2, оцифровывается в АЦП 3 и поступает в каждый момент времени t на вход ДОС 4 в виде вектора отсчетов размерность которого соответствует числу АЭ цифровой АР. В БФОДН 5 вектор отсчетов u(t) скалярно умножается на вектор комплексных весовых коэффициентов , поступающий из БФКНП 6 вместе с нелинейной фазовой подставкой. Выполнение этих действий обеспечивает установку луча в направлении источника сигнала и позволяет произвести формирование остронаправленной сканирующей ДН плоской АР заданных ширины луча и уровня боковых лепестков (фиг.2). Следовательно, вектор определяет форму остронаправленной сканирующей ДН плоской АР В БФСДН 7 параллельно во времени принятый вектор отсчетов, сформированный в ДОС 4 для элементов, расположенных в ортогональных подрешетках из трех и более линейных антенных решеток, участвующих в формировании слабонаправленной ДН, умножается скалярно на векторы комплексных весовых коэффициентов При этом комплексных коэффициентов соответствующих АЭ цифровой АР в каждой горизонтальной линейке, совпадают с коэффициентами а остальные коэффициенты равны нулю; комплексных коэффициентов соответствующих АЭ цифровой АР в каждой вертикальной линейке, совпадают с коэффициентами а остальные коэффициенты равны нулю. Выбор комплексных весовых коэффициентов обеспечивает независимое формирование двух ДН и одномерно расширенных в ортогональных плоскостях (вдоль ортогональных линеек АР), с нормами и максимумами, ориентированными в направлении источника сигнала При этом в одной из главных плоскостей каждая из совпадает с ДН плоской а в другой - приближается к ДН одиночного антенного элемента плоской АР. На выходе БФСДН 7 образуется сигнал, соответствующий слабонаправленной ДН,

В БВК 8 на этапе настройки и отладки плоской АР в отсутствие помех формируется весовой коэффициент, соответствующий отношению норм остронаправленной сканирующей и слабонаправленной ДН при ориентации луча плоской АР в направлении нормали к плоскости раскрыва. Этот весовой коэффициент остается постоянным в процессе функционирования и может быть изменен только при перенастройке плоской АР.

Сигнал с выхода БФСДН 7 поступает на первый вход БУ 9, а на второй вход БУ 9 поступает сигнал с выхода БВК 6. На выходе БУ 9 образуется сигнал, уровень соответствует уровню слабонаправленной ДН, умноженному на весовой коэффициент.Для формирования сигнала, соответствующего компенсационной ДН, в БВ 10 в каждый момент времени производится вычитание сигнала с выхода БФОДН5 из сигнала с выхода БУ 9. В результате алгебраического суммирования формируется сигнал, соответствующий компенсационной ДН.

Оценим возможности формирования слабонаправленной ДН антенны компенсационного канала с заданным превышением над остронаправленной сканирующей ДН плоской АР основного канала в области боковых лепестков.

Задача формирования компенсационной ДН состоит в том, чтобы реализовать подавление помех при обработке сигналов в двух приемных каналах: основном и компенсационном. В основном канале формируют ДН с низким уровнем боковых лепестков, а в компенсационном компенсационную ДН. Основными требованиями к компенсационной ДН являются:

- превышение уровня компенсационной ДН в пространственной области с помехами над уровнем ДН основного канала;

- превышение уровня ДН основного канала в области главного луча над уровнем компенсационной ДН.

Выполнение первого требования связано с разрешением ряда противоречий. Так, выполнение первого требования может достигаться за счет снижения боковых лепестков ДН основного канала. Однако при этом происходит расширение главного луча, снижение коэффициента усиления ДН основного канала, что негативно сказывается на технических характеристиках радиосистемы с компенсатором (дальности действия, точности измерений и т.п.). Расширение пространственной области,

в которой возможна компенсация помех связана с использованием слабонаправленных антенн. Такие антенны имеют относительно небольшой коэффициент усиления, в результате относительный уровень сигнала на выходе слабонаправленной антенны компенсационного канала может оказаться ниже или соизмеримым с уровнем сигнала, принимаемого по боковым лепесткам антенны основного канала. Увеличение коэффициента передачи компенсационного канала за счет регулировки весового коэффициента недопустимо, поскольку приводит к росту уровня шумов в компенсационном канале. Увеличение коэффициента усиления антенны компенсационного канала приводит к тому, что ее ДН становится направленной, в результате пространственная область, в которой функционирует компенсатор помех, сокращается.

В способе-прототипе для разрешения указанных противоречий используется идея повышения коэффициента усиления антенны компенсационного канала за счет использования большего числа антенных элементов. При этом учитывается, что при формировании ДН основного и компенсационного каналов при помощи плоской цифровой антенной решетки (ЦАР) с прямоугольной формой раскрыва в основном канале несложно обеспечить структуру боковых лепестков, соответствующую ДН где - точка наблюдения, заданная двумя компонентами вектора направляющих косинусов, главные взаимно ортогональные сечения ДН (проходящие через главный максимум вдоль ортогональных координатных направлений). В такой ДН боковые лепестки вне главных сечений быстро убывают. Это позволяет ограничиться при формировании высокого уровня компенсационной ДН только в главных сечениях. В связи с этим в способе-прототипе при формировании компенсационной ДН использованы центральные ортогональные линейные АР прямоугольного раскрыва. Каждая из них является направленной в одном сечении и слабонаправленной - в другом. При сложении этих ДН суммарная слабонаправленная ДН имеет высокий уровень боковых лепестков, в тех же сечениях, что и ДН основного канала, а при вычитании остронаправленной ДН из слабонаправленной ДН структура лепестков ДН компенсационного канала сохраняется, а в направлении максимума ДН основного канала формируется нуль компенсационной ДН.

К сожалению, число параллельно расположенных центральных линейных АР, участвующих в формировании двух ортогональных ДН согласно способу-прототипу, ограничено. Это связано с тем, что при увеличении числа параллельных линейных АР в каждой из таких ортогональных подрешеток пропадает их главное используемое отличие -слабая направленность в одном из ортогональных сечений. В результате появляются пространственные области, в которых ДН основного канала превышает уровень компенсационной ДН.

Еще один недостаток способа-прототипа связан с тем, что он может быть применен к ЦАР с прямоугольной формой раскрыва и без отказов элементов и приемных модулей. В ЦАР с произвольной формой границы раскрыва или при наличии определенного числа отказавших каналов происходит рост боковых лепестков. Рост боковых лепестков происходит во всех сечениях. Структура боковых лепестков зависит от формы границы раскрыва антенны, ориентации модулей и структуры отказов. В результате применение способа-прототипа становится неэффективным.

В соответствии с предлагаемым способом для повышения коэффициента усиления антенны компенсационного канала предлагается увеличить число соседних параллельных линейных АР, в двух ортогональных подрешетках, используемых для формирования слабонаправленной ДН. В этом случае усиление антенны компенсационного канала вырастет, поскольку число антенных элементов, участвующих

в формировании слабонаправленной ДН, увеличится. Чтобы компенсировать появление глубоких провалов в компенсационной ДН, в предлагаемом способе предложено использовать при формировании слабонаправленной ДН и остронаправленной ДН нелинейную фазовую подставку.

Введем декартову систему координат . В плоскости расположим М - элементную плоскую ЦАР. Координаты фазовых центров антенных элементов разместим в точках где m = 1, 2, …, М. Линейные размеры ЦАР вдоль координатных направлений обозначим соответственно, а межэлементные расстояния - соответственно.

В простейшем случае ДН ЦАР основного канала может быть представлена в виде

Здесь - ДН одиночного элемента ЦАР;

- амплитуда m-го канала при формировании ДН основного канала;

- мнимая единица;

- коэффициент фазы (волновое число);

- направление максимума ДН.

Для формирования слабонаправленной ДН в соответствии с предлагаемым способом используются две подрешетки. Линейный размер

первой подрешетки вдоль координаты х равен линейному размеру ЦАР , а вдоль координаты y определим параметром таким, что Линейные размеры ортогональной подрешетки определим причем . При этом слабонаправленная ДН при формировании компенсационной ДН представляется выражением

Здесь - амплитуда m-то канала при формировании компенсационной ДН;

- фаза m-го канала ЦАР, вычисляемая в соответствии с заданным законом нелинейной фазовой подставки.

Остронаправленная ДН может быть сформирована по формуле

С учетом введенных обозначений компенсационная ДН формируется путем вычитания из слабонаправленной ДН остронаправленной, т.е.

В выражении (4) весовой коэффициент, равный отношению норм слабонаправленной и остронаправленных ДН, меньше единицы, что позволяет избежать роста шумов при формировании компенсационной ДН.

В качестве нелинейной фазовой подставки может быть использована сферическая подставка, определяемая выражением

где параметр у определяет нелинейность распределения фазовой подставки вдоль раскрыва.

Технический результат реализации предлагаемого способа подтверждается результатами моделирования. При этом рассматривалась ЦАР, состоящая из 32×32 антенных элементов, размещенных в узлах прямоугольной сетки с шагом (λ - длина волны).

Для формирования остронаправленной ДН использовалось амплитудное распределение, представленное на фиг.2 и описываемое выражением

При формировании слабонаправленной ДН использовались ортогональные подрешетки, первая из которых содержала 6 горизонтальных линейных АР по 32 элемента в каждой, а вторая - 6 вертикальных линейных АР по 32 элемента в каждой. При формировании слабонаправленной ДН также использовалась функция (6), как видно из выражения (2).

Используемая при формировании ДН (2) и (3) сферическая подставка изображена на фиг.4.

На фиг.5 показана компенсационная ДН, формируемая в соответствии с предлагаемым способом, нормированная к максимальному значению ДН основного канала. Отличительная особенность данной ДН состоит в том, что наблюдается подъем уровня компенсационной ДН вне главных сечений при сохранении максимального уровня компенсационной ДН по сравнению со способом-прототипом, а также отсутствие глубоких провалов ДН, которые могли бы возникнуть при реализации способа-прототипа с используемыми ортогональными подрешетками.

Сопоставление уровней ДН основного и компенсационного канала при реализации предлагаемого способа и способа-прототипа позволило получить результаты, приведенные на фиг.6-9. В идеальном случае (при отсутствии отказов) компенсационная ДН по способу-прототипу содержит области, в которых боковые лепестки превышают уровень компенсационной ДН (темные области на фиг.7). При этом эти области следуют параллельно главным сечениям. В центральной области, где расположен главный луч ДН основного канала, область превышения имеет прямоугольную форму, что является особенностью способа-прототипа. На фиг.6 показано, что при реализации предлагаемого способа в области дальних боковых лепестков компенсационная ДН не удовлетворяет заданным требованиям, однако, эти области незначительны по площади, удалены от главного луча и соответствуют низким боковым лепесткам ДН основного канала.

При наличии отказов, как показано на фиг.8 и 9, происходит существенный рост боковых лепестков ЦАР. В результате компенсационная ДН по способу-прототипу (фиг.9) не позволяет использовать компенсатор помех во всей области пространства за исключением подавления помех, приходящих по главным сечениям ДН. Напротив, предлагаемый способ оказался более устойчив к появлению отказов, поскольку превышение ДН основного канала над уровнем компенсационного канала наблюдается, главным образом, для удаленных боковых лепестков.

Сопоставление результатов на фиг.7-9 показывает, что предлагаемый способ обеспечивает выполнение требований по превышению уровня компенсационной ДН над ДН основного канала в пространственной области, примыкающей к области главного луча в отличие от способа-прототипа. При наличии отказов вследствие роста боковых лепестков и нарушения их структуры применение способа-прототипа неэффективно в отличие от предлагаемого способа.

Технический результат - повышение устойчивости компенсационной диаграммы к структуре боковых лепестков ДН основного канала при изменении формы раскрыва, появлении отказов.

Рассмотрена реализация предложенного способа в радиолокационном комплексе обнаружения и сопровождения целей, где одним из условий получения заданных точностных характеристик системы являлось подавление помехового сигнала в приемном тракте на определенный (требуемый) техническим заданием уровень. Использование в качестве приемной антенны цифровой антенной решетки позволило реализовать остронаправленную сканирующую и слабонаправленную диаграммы направленности с помощью одного раскрыва, что привело к уменьшению массы и габаритных размеров антенной решетки и повысило оперативность работы комплекса. Применение многоканального модуля цифровой обработки сигнала, параллельно формирующего канал компенсатора помех и каналы обработки радиолокационной информации, позволило реализовать требуемый уровень превышения уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки основного канала и обеспечить подавление пространственных помех в произвольном направлении. Сказанное подтверждается результатами натурного эксперимента с использованием фрагмента антенной решетки.

Описанная выше возможность реализации данного способа на основе фрагмента антенной решетки радиолокационного комплекса обнаружения и сопровождения целей обеспечивает ему критерий «промышленная применимость».

Claims (1)

1. Способ формирования компенсационной диаграммы направленности в плоской антенной решетке с электронным управлением лучом, при котором формируют остронаправленную сканирующую диаграмму направленности плоской антенной решетки и слабонаправленную диаграмму направленности, перекрывающую по уровню боковое излучение остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки, а также получают компенсационную диаграмму направленности путем вычитания остронаправленной сканирующей диаграммы направленности из слабонаправленной диаграммы 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, отличающийся тем, что формирование остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки осуществляют с использованием выбранных комплексных амплитуд антенных элементов с учетом требуемого превышения уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности и с заданной нелинейной фазовой подставкой, формирование слабонаправленной диаграммы направленности производят путем суммирования сигналов антенных элементов, расположенных в ортогональных подрешетках из трех и более линейных антенных решеток плоской антенной решетки, с комплексными амплитудами, соответствующими комплексным амплитудам антенных элементов плоской антенной решетки в направлении на источник полезного сигнала с такой же нелинейной фазовой подставкой, как и при формировании остронаправленной диаграммы направленности.