способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решетки

Формула изобретения

Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решетки, основанный на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, и последующем их суммировании, при котором комплексный весовой коэффициент в канале n-го элемента решетки находят, используя метод парциальных диаграмм, путем суперпозиции с некоторыми весовыми множителями Н_р комплексных токов , формирующих р-й луч:

где N - число излучателей, используя при этом информацию о направлениях ориентации основных лепестков диаграммы направленности где d и - шаг решетки и длина волны, и их относительном уровне Н_р, отличающийся тем, что при определении комплексных весовых коэффициентов используют также информацию о требуемых значениях фазовой диаграммы _р в направлениях формируемых лепестков, в связи с чем при суперпозиции комплексных токов (р) применяют комплексные весовые множители H ^F _p=Н_р·exp(j _p), учитывающие требуемые значения фазовой диаграммы со своими знаками.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для формирования многолепестковых диаграмм направленности (ДН) с регулируемой фазовой ДН в антенных решетках (АР) с амплитудно-фазовым (комплексным) управлением.

Известен способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решетки [1-3], основанный на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, и последующем их суммировании, при котором комплексные весовые коэффициенты в каналах элементов решетки находят путем суперпозиции с некоторыми весовыми множителями комплексных токов, формирующих соответствующий луч, используя при этом информацию о направлениях ориентации основных лепестков диаграммы направленности и их относительном уровне.

Рассмотрим существо известного способа на примере N-элементной линейной АР с комплексным управлением. Передатчик (либо приемник) связан с излучателями через распределитель (сумматор) и комплексные взвешивающие устройства (n=1,2..N), способные изменять амплитуду | | и фазу _n=arg сигнала в канале n-го излучателя в соответствии с командами устройства управления.

Для формирования многолепестковой ДН применяется метод парциальных диаграмм. Этот метод основан на представлении заданной ДН в виде комбинации с неизвестными весами функций Котельникова

где обобщенная координата определена выражением

В (2) - длина волны, d - шаг решетки, _р - угол ориентации максимума луча, соответствующего функции R(u-u_p), отсчитываемый от оси решетки.

Каждой из этих функций соответствует со своим весом равномерное амплитудное и линейное фазовое распределение тока

В связи с ортогональностью функций Котельникова R(u- p) на интервале [-N /2, N /2] комплексные весовые коэффициенты в элементах АР находят путем суперпозиции с весами

токов (р), соответствующих различным парциальным распределениям, т.е.

Через s и r обозначены соответственно максимальное и минимальное значения целочисленной переменной суммирования p.

В выражении (4) через F_зад( p) обозначено значение заданной ДН F_зад (u) при u= р. Количество парциальных диаграмм, которое может контролировать N-элементная решетка, не должно превышать числа излучателей, т.е.

Известный способ обеспечивает по заданным направлениям ориентации основных лепестков диаграммы направленности и их относительным уровням формирование многолучевых ДН линейных либо плоских решеток.

В тех случаях, когда АР функционирует в условиях многолучевого распространения радиоволн одного источника, известный способ не обеспечивает эффективное сложение сигналов, принимаемых различными лепестками ДН, так как не предусматривает регулировку значений фазовой диаграммы в направлениях формируемых лепестков. Это является недостатком известного способа.

Предлагаемый способ направлен на устранение упомянутого недостатка известного способа. На фиг.1 представлена сформированная на базе предлагаемого способа двухлепестковая амплитудная диаграмма направленности. На фиг.2, 3 приведены графики значений фазовой ДН в направлениях максимумов «лучей» как функции заданной фазы одного из лучей, причем на фиг.2 графики соответствуют ортогональным между собой лучам, формируемым в направлениях, кратных р , а на фиг.3 - в одном из направлений, отличающихся от р на 0.5 . На фиг.4 приведены графики погрешностей, возникающих при реализации заданной разности фаз во втором случае (когда имеет место максимальное взаимное воздействие формируемых лучей друг на друга).

Рассмотрим существо предлагаемого способа. Как и в прототипе, сигналы, принятые каждым излучателем, взвешивают с помощью комплексных весовых коэффициентов, после чего их суммируют, при этом комплексные весовые коэффициенты в каналах элементов решетки находят путем суперпозиции с некоторыми весовыми множителями комплексных токов, формирующих соответствующий луч, используя при этом информацию о направлениях ориентации основных лепестков диаграммы направленности и их относительном уровне. Однако при определении комплексных весовых коэффициентов в каналах элементов АР используют также информацию о требуемых значениях фазовой диаграммы в направлениях формируемых лепестков, в связи с чем при суперпозиции комплексных токов применяют комплексные весовые множители, учитывающие требуемые значения фазовой диаграммы со своими знаками.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявляемый и известный способы отличаются режимом выполнения операции взвешивания, так как при определении комплексных весовых коэффициентов в каналах элементов АР используют также информацию о требуемых значениях фазовой диаграммы в направлениях формируемых лепестков, в связи с чем при суперпозиции комплексных токов применяют комплексные весовые множители, учитывающие требуемые значения фазовой диаграммы со своими знаками.

Рассмотрим предлагаемый способ формирования многолепестковых диаграмм направленности на примере N-элементной линейной антенной решетки с комплексным управлением, в каждом канале которой имеется устройство комплексного взвешивания Выходы всех устройств комплексного взвешивания соединены со входами сумматора, на выходе которого формируется диаграмма направленности F(u).

Для формирования в диаграмме направленности F(u) в направлениях u_p=р (р=1, 2,...Р) «лучей» с относительной амплитудой Н _р, как и ранее, весовые множители задают таким образом, чтобы они имели определенные значения, отличные от нуля, только в направлениях формирования «лучей» u_p=р с той лишь разницей, что при их задании используют также информацию о требуемых значениях фазовой диаграммы в направлениях формируемых лепестков, в связи с чем при суперпозиции комплексных токов применяют комплексные весовые множители Н ^F _p=F(p )·e^{i· p}, учитывающие требуемые значения фазовой диаграммы со своими знаками.

Моделирование проведено на линейной АР с комплексным управлением. ДН решетки изотропных элементов принималась в виде:

Комплексные весовые коэффициенты (токи) в элементах АР

При необходимости сформировать два луча одинакового уровня, ориентированные в направлениях u₁ =р₁ и u₂=р₂ и имеющие в этих направлениях различные фазы, комплексные весовые множители Н^F _p задавались в виде

Углы ориентации лепестков диаграммы направленности, соответствующие выбранным направлениям р₁ и р₂, находятся по формуле

Число излучателей N=36, шаг решетки /2. Дополнительно принято ₁=0, ₂ - меняющаяся в пределах от -180° до 180° с шагом 1°. На фиг.1 приведен график ДН, на котором лепестки сформировались в направлениях минус пятой и третьей ДН (р₁=-5 и р₂ =3), которым соответствуют углы ₁(p₁)=106.1° и ₂(р₂)=80.4°. При формировании лепестков в направлениях, которым соответствуют целые значения р, изменение значения фазовой ДН в одном из лепестков (втором) не влияет на значение ДН в другом лепестке. Это связано с ортогональностью функций Котельникова R(u- р) на интервале [-N /2, N /2]. Графики, иллюстрирующие этот вывод, приведены на фиг.2 (arg F( ₁) - зависимость реализуемого значения фазовой ДН в направлении ₁ от ₂; argF( ₂) - зависимость реализуемого значения фазовой ДН в направлении ₂ от ₂). Максимальное взаимное влияние лучей друг на друга имеет место, когда разность направлений их максимумов кратна нечетному числу /2. Из приведенных на фиг.3 графиков (argF( ₁) - зависимость реализуемого значения фазовой ДН в направлении ₁ от ₂; argF( '₂) - зависимость реализуемого значения фазовой ДН в направлении '₂ от ₂); следует, что при формировании лепестков в направлениях, соответствующих значениям p ₁=-5 и p'₂=2.5 (при этом '₂(p'₂ )=82°), заданные значения фазовой ДН в обоих лучах ₁ и ₂ реализуются с некоторой погрешностью. На фиг.4 представлены графики, иллюстрирующие для этого случая погрешность реализации заданных значений ₁ (argF( ₁)- ₁) и ₂ (arg F( '₂)- ₂) при изменении ₂ от -180° до 180°. В рассмотренном случае максимальная погрешность реализации заданной разности фаз составляет 2.6°. Необходимо также отметить, что отклонение реализуемой фазовой ДН от заданных значений увеличивается при уменьшении углового расстояния между направлениями формируемых лучей.

Допустимость регулировки значений фазовой ДН в лепестках многолучевой ДН расширяет функциональные возможности антенной системы, например, при приеме волн одного источника в условиях многолучевого распространения.

Таким образом, изменение режима выполнения операции взвешивания, заключающееся в том, что при определении комплексных весовых коэффициентов используют также информацию о требуемых значениях фазовой диаграммы в направлениях формируемых лепестков, в связи с чем при взвешивании значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков применяют комплексные весовые множители Н^F _p=F(p )e^{i· p}, учитывающие требуемые значения фазовой диаграммы со своими знаками, позволяет при формировании многолепестковых диаграмм направленности с заданными положениями и уровнями основных лепестков регулировать также значения фазовой диаграммы в направлениях этих лепестков.

Источники информации

1. Вендик О.Г. Антенны с немеханическим движением луча. М.: Сов. Радио, 1965.

2. Зелкин Е.Г., Соколов В.Г. Методы синтеза антенн. М.: Сов. Радио, 1980.

3. Мануйлов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д. Алгоритм управления многофункциональными антенными решетками на основе метода парциальных диаграмм // Антенны, 2005, №9, с.72-77.