RU2731604C1 - Method of constructing a beam-forming system for an active phased antenna array - Google Patents

Method of constructing a beam-forming system for an active phased antenna array Download PDF

Info

Publication number
RU2731604C1
RU2731604C1 RU2019118957A RU2019118957A RU2731604C1 RU 2731604 C1 RU2731604 C1 RU 2731604C1 RU 2019118957 A RU2019118957 A RU 2019118957A RU 2019118957 A RU2019118957 A RU 2019118957A RU 2731604 C1 RU2731604 C1 RU 2731604C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
level
processors
beamforming
sequences
readings
Prior art date
Application number
RU2019118957A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Александрович Косогор
Владимир Владимирович Задорожный
Артём Сергеевич Ланкин
Александр Юрьевич Ларин
Иван Степанович Омельчук
Александр Владимирович Васильев
Михаил Исаакович Чернышёв
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации
Priority to RU2019118957A priority Critical patent/RU2731604C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2731604C1 publication Critical patent/RU2731604C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
    • G01R29/10—Radiation diagrams of antennas
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G01S13/10—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves
    • G01S13/26—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves wherein the transmitted pulses use a frequency- or phase-modulated carrier wave
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/40—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with phasing matrix

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

FIELD: antenna equipment.
SUBSTANCE: invention relates to antenna engineering and is intended for construction of digital APAA. According to the method, the signal received by each antenna element is amplified, frequency-converted, filtered in a band-pass filter and converted to a digital sequence using an analogue-to-digital converter. A directional pattern (DP) is formed by weight summation of sequences of readings of input signals corresponding to the same quantization moments. Antenna cloth is formed from M N-channel transceiving modules combined into sub-arrays by L transceiving modules, generating a sequence of readings of the first level partial beam patterns in the first-level DP generation processors embedded in the transceiving modules, by weighting the sequence of counts of the N input signals corresponding to the same sampling moments, generating second-level partial beam patterns in second level DP generation processors by weighted summation of sample sequences from outputs of first-level DP generation processors from subarray composition, generating resultant radiation patterns in DP generation processors of last level using at most L sequences of partial diagram counts from outputs of DP generation processors of previous level, wherein number of levels of formation of directivity pattern, equal to whole part of expression k=logL(M-1)+2, for M>2, and for transmission of sequences of readings of beam patterns between DP generation processors communication lines with serial data transmission are used.
EFFECT: reduced requirements for processors of formation of DP of beam formation system.
1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, а именно, к способам построения системы диаграммообразования активных фазированных антенных решеток (АФАР) для систем связи, радиолокации и т.д.The invention relates to antenna technology, namely, to methods for constructing a diagramming system of active phased antenna arrays (AFAR) for communication systems, radar, etc.

Известен способ построения системы диаграммообразования АФАР [1 - стр. 113, рис. 6.2, Активные фазированные антенные решетки /под ред. Д.И. Воскресенского, А.И. Канащенкова. М.: Радиотехника. 2004 г. - 488 с.], при котором принятый каждым антенным элементом сигнал усиливается и делится на число частей каналов, равное числу формируемых диаграмм. В канале каждой диаграммы устанавливаются управляемые фазовращатель и аттенюатор, с помощью которых для каждой формируемой диаграммы направленности (ДН) устанавливается оптимальный весовой коэффициент. Далее сигналы каналов, соответствующих каждой ДН, суммируются с помощью сумматоров.A known method for constructing a system of diagramming AFAR [1 - p. 113, Fig. 6.2, Active phased antenna arrays / ed. DI. Voskresensky, A.I. Kanashenkova. M .: Radio engineering. 2004 - 488 s.], In which the signal received by each antenna element is amplified and divided into the number of channel parts equal to the number of formed diagrams. A controlled phase shifter and an attenuator are installed in the channel of each diagram, with the help of which the optimal weighting factor is set for each formed radiation pattern (DP). Further, the signals of the channels corresponding to each DP are summed using adders.

Недостатком известного способа является значительное увеличение объема аппаратуры АФАР при увеличении числа формируемых лучей, поскольку для каждого луча требуется использование отдельного фазовращателя, аттенюатора и сумматора.The disadvantage of this method is a significant increase in the volume of the APAR equipment with an increase in the number of formed beams, since each beam requires the use of a separate phase shifter, attenuator and adder.

Известен способ построения системы диаграммообразования АФАР [2 - стр. 30-31, рис. 2.6, Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев. 2000 г. - 420 с.], при котором принимают и запоминают отсчеты принимаемых сигналов от приемопередающих модулей в процессоре формирования ДН, вычисляют и хранят весовые коэффициенты, формируют однолучевую или многолучевую диаграмму направленности путем весового суммирования комплексных входных сигналов.A known method of constructing a system of diagramming AFAR [2 - pp. 30-31, Fig. 2.6, Kuzmin S.Z. Digital radar. Introduction to the theory. Kiev. 2000 - 420 p.], In which the samples of the received signals from the transceiver modules are received and stored in the DP formation processor, the weight coefficients are calculated and stored, a single-beam or multi-beam radiation pattern is formed by the weight summation of the complex input signals.

Недостатками известного способа являются:The disadvantages of this method are:

- использование единственного процессора формирования ДН, поскольку в многоэлементных ФАР может насчитываться до нескольких тысяч элементов, то реализация параллельного ввода и суммирования в процессоре формирования ДН такого большого числа сигналов потребует чрезмерных аппаратных затрат при высоком быстродействии. Кроме того, использование единственного процессора ДН значительно усложнит конструкцию изделия, поскольку необходимо большое число кабельных соединений свести в один процессор формирования ДН;- the use of a single DP formation processor, since in multi-element PAA there can be up to several thousand elements, then the implementation of parallel input and summation in the DP generation processor of such a large number of signals will require excessive hardware costs at high speed. In addition, the use of a single DN processor will significantly complicate the design of the product, since it is necessary to combine a large number of cable connections into one DN processor;

- низкая надежность реализации системы диаграммообразования, так как отказ одного процессора приводит к отказу всей АФАР.- low reliability of the implementation of the diagramming system, since the failure of one processor leads to the failure of the entire AFAR.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ построения системы диаграммообразования АФАР [1 - стр. 118, рис. 6.6], взятый за прототип, заключающийся в том, что принятый каждым антенным элементом сигнал усиливают, преобразуют по частоте, фильтруют в полосовом фильтре и с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) превращают в цифровую последовательность. Формируют ДН путем, соответствующих одним и тем же моментам квантования.The closest in technical essence to the invention is a method of constructing a diagramming system of AFAR [1 - p. 118, Fig. 6.6], taken as a prototype, which consists in the fact that the signal received by each antenna element is amplified, converted in frequency, filtered in a bandpass filter and converted into a digital sequence using an analog-to-digital converter (ADC). DNs are formed in a way corresponding to the same quantization moments.

К недостатками прототипа следует отнести:The disadvantages of the prototype include:

- использование единственного процессора формирования ДН, поскольку в многоэлементных ФАР может насчитываться до нескольких тысяч элементов, то реализация параллельного ввода и суммирования в процессоре формирования ДН такого большого числа сигналов потребует чрезмерных аппаратных затрат при высоком быстродействии. Кроме того, использование единственного процессора формирования ДН значительно усложнит конструкцию изделия, поскольку необходимо большое число кабельных соединений свести в один процессор формирования ДН;- the use of a single DP formation processor, since in multi-element PAA there can be up to several thousand elements, the implementation of parallel input and summation in the DP generation processor of such a large number of signals will require excessive hardware costs with high speed. In addition, the use of a single processor for forming the pattern will significantly complicate the design of the product, since it is necessary to combine a large number of cable connections into one processor for forming the pattern;

- низкая надежность реализации системы диаграммообразования, так как отказ одного процессора приводит к отказу всей АФАР.- low reliability of the implementation of the diagramming system, since the failure of one processor leads to the failure of the entire AFAR.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение требований к процессорам формирования ДН при формировании многолучевой диаграммы направленности.The problem to be solved by the present invention is to reduce the requirements for the processors for the formation of the pattern in the formation of a multi-beam radiation pattern.

Для решения указанной задачи предлагается способ построения системы диаграммообразования АФАР, при котором принятый каждым антенным элементом сигнал усиливают, фильтруют в полосовом фильтре и выполняют его дискретизацию с помощью аналого-цифрового преобразования. Формируют ДН путем весового суммирования последовательностей отсчетов входных сигналов, соответствующих одним и тем же моментам квантования.To solve this problem, a method for constructing an AFAR diagramming system is proposed, in which the signal received by each antenna element is amplified, filtered in a bandpass filter and sampled using analog-to-digital conversion. The pattern is formed by the weight summation of the sequences of samples of the input signals corresponding to the same quantization moments.

Согласно изобретению, формируют антенное полотно из М N-канальных приемопередающих модулей, объединенных в подрешетки по L приемопередающих модулей, при этом в случае выполнения приемной части в виде супергетеродинного радиоприемника выполняют преобразование частоты входного сигнала, формируют последовательность отсчетов парциальных диаграмм направленности первого уровня во встроенных в приемопередающие модули процессорах формирования ДН первого уровня, формируют парциальные диаграммы направленности второго уровня в процессорах формирования ДН второго уровня путем весового суммирования последовательностей отсчетов с выходов процессоров формирования ДН первого уровня из состава подрешетки, формируют результирующие диаграммы направленности в процессорах формирования ДН последнего уровня, используя не более L последовательностей отсчетов парциальных диаграмм с выходов процессоров формирования ДН предыдущего уровня, при этом используют количество уровней формирования диаграммы направленности, равное целой части выражения k=logL(M-l)+2, для М>2, а для передачи последовательностей отсчетов диаграмм направленности между процессорами формирования ДН используют линии связи с последовательной передачей данных.According to the invention, an antenna web is formed from M N-channel transceiver modules, combined into subarrays of L transceiver modules, while, in the case of the receiving part in the form of a superheterodyne radio receiver, the frequency of the input signal is converted, a sequence of samples of the partial radiation patterns of the first level is formed in the built-in transceiver modules in the first-level DP generation processors, form partial second-level radiation patterns in the second-level DP generation processors by weight summing of the sequences of samples from the outputs of the first-level DP generation processors from the sub-array, form the resulting radiation patterns in the last-level DP generation processors, using no more than L sequences of readings of partial diagrams from the outputs of the processors for forming the DP of the previous level, while using the number of levels of forming the directional diagram ti, equal to the integer part of the expression k = log L (Ml) +2, for M> 2, and communication lines with sequential data transmission are used to transfer the sequences of radiation pattern readings between the processors of the formation of the pattern.

Техническим результатом предлагаемого способа является снижение требований к процессорам формирования ДН системы диаграммообразования за счет параллельного выполнения вычислительных операций.The technical result of the proposed method is to reduce the requirements for the processors of the formation of the diagrams of the system due to the parallel execution of computational operations.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:A comparative analysis of the claimed method and the prototype shows that their difference is as follows:

- в прототипе используется один процессор формирования ДН, на вход которого подаются последовательности отсчеты сигналов со всех приемопередающих модулей (ППМ), при этом процессор должен иметь М входов, на которые поступают отсчеты с частотой, равной тактовой частоте АЦП. В то время как в предлагаемом способе используется многоуровневая система диаграммообразования, на каждом уровне которой в модулей формирования ДН формируются парциальные ДН из L потоков цифровых отсчетов;- the prototype uses one processor for the formation of the DP, at the input of which the sequences of signal samples from all transceiver modules (TPM) are fed, while the processor must have M inputs, which receive the samples with a frequency equal to the clock frequency of the ADC. While in the proposed method, a multilevel diagramming system is used, at each level of which, in the modules for forming the pattern, partial patterns are formed from L streams of digital samples;

- в прототипе за счет использования единственного процессора его отказ приводит к отказу системы диаграммообразования, что приводит к низкой надежности АФАР. В то время как в предлагаемом способе используются параллельное включение процессоров, что обеспечивает более высокую надежность устройства, поскольку выход из строя одного из процессоров приводит только к частичной потере работоспособности системы диаграммообразования, что приводит только к искажению формы ДН;- in the prototype, due to the use of a single processor, its failure leads to a failure of the diagramming system, which leads to low reliability of the AFAR. While in the proposed method, parallel connection of processors is used, which ensures a higher reliability of the device, since the failure of one of the processors leads only to a partial loss of the performance of the diagramming system, which only leads to distortion of the shape of the DN;

- в прототипе ППМ равноценны при формировании ДН, в то время как в предлагаемом способе используются объединение ППМ в подрешетки.- in the prototype PPMs are equivalent in the formation of MDs, while in the proposed method, the PPMs are combined into sublattices.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа построения системы диаграммообразования активной фазированной антенной решетки из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.The combination of distinctive features and properties of the proposed method for constructing a diagramming system of an active phased antenna array is not known from the literature, therefore it meets the criteria of novelty and inventive step.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, обеспечивающего реализацию предложенного способа в случае выполнения приемных частей каналов ППМ в виде супергетеродинных радиоприемников.FIG. 1 shows a block diagram of a device that provides the implementation of the proposed method in the case of performing the receiving parts of the PPM channels in the form of superheterodyne radio receivers.

На фиг. 2 приведена структурная схема устройства, обеспечивающего реализацию предложенного способа в случае выполнения приемных частей каналов ППМ в виде радиоприемников прямого усиления.FIG. 2 shows a block diagram of a device that provides the implementation of the proposed method in the case of performing the receiving parts of the PPM channels in the form of direct amplification radio receivers.

На фиг. 3 приведена структурная схема процессора формирования ДН 5 первого уровня.FIG. 3 shows a block diagram of the processor for forming the DN 5 of the first level.

На фиг. 4 приведена структурная схема процессора формирования ДН 8 второго и следующих уровней.FIG. 4 shows a block diagram of the processor for forming the DN 8 of the second and next levels.

На фиг. 5 приведена структурная схема радиоприемного устройства 3 в случае его реализации по су пер гетеродинной схеме.FIG. 5 shows the block diagram of the radio receiver 3 in the case of its implementation according to the superheterodyne circuit.

На фиг. 6 приведена структурная схема радиоприемного устройства 3 в случае его реализации по схеме радиоприемника прямого усиления.FIG. 6 shows a block diagram of the radio receiver 3 in the case of its implementation according to the direct amplification radio receiver.

При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий:When implementing the proposed method, the following sequence of actions is performed:

- формируют антенное полотно из M N-канальных приемопередающих модулей, объединенных в подрешетки по L приемопередающих модулей - 1;- form an antenna fabric of M N-channel transceiver modules, combined into subarrays of L transceiver modules - 1;

- принятый каждым антенным элементом сигнал усиливают, фильтруют в полосовом фильтре и выполняют его дискретизацию с помощью аналого-цифрового преобразования, при этом в случае выполнения приемной части канала приемопередающего модуля в виде супергетеродинного радиоприемника выполняют преобразование частоты входного сигнала - 2;- the signal received by each antenna element is amplified, filtered in a bandpass filter and sampled using an analog-to-digital conversion, while in the case of the receiving part of the channel of the transceiver module in the form of a superheterodyne radio receiver, the frequency of the input signal is converted - 2;

- формируют последовательность отсчетов парциальных диаграмм направленности первого уровня во встроенных в приемопередающие модули процессорах формирования ДН первого уровня путем весового суммирования последовательности отсчетов N входных сигналов, соответствующих одним и тем же моментам квантования - 3,- form a sequence of samples of partial radiation patterns of the first level in the processors for forming the DP of the first level built into the transceiver modules by weighting the sequence of samples of N input signals corresponding to the same quantization moments - 3,

- формируют парциальные диаграммы направленности второго уровня в процессорах формирования ДН второго уровня путем весового суммирования последовательностей отсчетов с выходов процессоров формирования ДН первого уровня из состава подрешетки - 4;- form the partial radiation patterns of the second level in the processors of the formation of the DP of the second level by the weight summation of the sequences of samples from the outputs of the processors of the formation of the DP of the first level from the composition of the subarray - 4;

- формируют результирующие диаграммы направленности в процессорах формирования ДН последнего уровня, используя не более L последовательностей отсчетов парциальных диаграмм с выходов процессоров формирования ДН предыдущего уровня, при этом используют количество уровней формирования диаграммы направленности, равное целой части выражения k=logL(М -1)+2, для М>2, - 5;- form the resulting directional patterns in the processors of the formation of the DP of the last level, using no more than L sequences of readings of the partial diagrams from the outputs of the processors of the formation of the DP of the previous level, while using the number of levels of formation of the radiation pattern equal to the integer part of the expression k = log L (M -1) +2, for M> 2, - 5;

- используют для передачи последовательностей отсчетов диаграмм направленности между процессорами формирования ДН линии связи с последовательной передачей данных - 6.- are used to transfer sequences of readings of radiation patterns between processors for forming the pattern of the communication line with serial data transmission - 6.

Реализация предложенного способа построения системы диаграммообразования в случае выполнения приемных частей каналов ППМ по супергетеродинной схеме возможна, например, с помощью устройства, включающего в себя (фиг. 1) М ППМ 1, объединенных в подрешетки по L ППМ 1, каждый ППМ включает в себя N последовательно соединенных антенных элементов (АЭ) 2, радиоприемных устройств (РПУ) 3 и аналого-цифровых преобразователей(АЦП) 4, выходы которых подключены ко входам процессора формирования ДН (ПФДН) 5 первого уровня, выход которого является выходом данных ППМ 1. Вход первого делителя мощности (ДМ) 6 является тактовым входом ППМ 1, а выходы первого ДМ 6 подключены к тактовым входам АЦП 4 (на рис. 1 не показаны). Вход второго делителя мощности (ДМ) 7 является гетеродинным входом ППМ 1, а выходы второго ДМ 7 подключены к гетеродинным входам РПУ 3 (на рис. 1 не показаны).The implementation of the proposed method for constructing a diagramming system in the case of performing the receiving parts of the PPM channels according to the superheterodyne scheme is possible, for example, using a device that includes (Fig. 1) M PPM 1 combined into sublattices along L PPM 1, each PPM includes N series-connected antenna elements (AE) 2, radio receiving devices (RPU) 3 and analog-to-digital converters (ADC) 4, the outputs of which are connected to the inputs of the processor of the formation of the DP (PFDN) 5 of the first level, the output of which is the data output of the PPM 1. The input of the first power divider (DM) 6 is the clock input of the PPM 1, and the outputs of the first DM 6 are connected to the clock inputs of the ADC 4 (not shown in Fig. 1). The input of the second power divider (DM) 7 is the heterodyne input of the PPM 1, and the outputs of the second DM 7 are connected to the heterodyne inputs of the RPU 3 (not shown in Fig. 1).

Выходы данных ППМ 1, входящих в подрешетку, соединяются со входами ПФДН 8 второго уровня, в свою очередь, выходы ПФДН 8 второго уровня соединяются со входами ПФДН 8 следующего уровня. На фиг. 1 приведен пример устройства с тремя уровнями. Количество уровней зависит от числа ППМ и определяется как k=logL(M-l)+2. Выход ПФДН 8k-го уровня является выходом устройства. Число подрешеток L1 должно быть не более количества L входов ПФДН 8, т.е. (L1≤L).The data outputs of the PPM 1 included in the sublattice are connected to the inputs of the PFDN 8 of the second level, in turn, the outputs of the PFDN 8 of the second level are connected to the inputs of the PFDN 8 of the next level. FIG. 1 shows an example of a device with three levels. The number of levels depends on the number of PPMs and is defined as k = log L (Ml) +2. The 8k level PFDN output is the output of the device. The number of sublattices L 1 should be no more than the number L of inputs of the PFDN 8, i.e. (L 1 ≤L).

Гетеродинные выходы системы формирования и распределения сигналов (СФРС) 9 соединены с гетеродинными входами ППМ 1, тактовые выходы СФРС 9 соединены с тактовыми входами ППМ 1.The heterodyne outputs of the signal generation and distribution system (SFRS) 9 are connected to the heterodyne inputs of the PPM 1, the clock outputs of the SFRS 9 are connected to the clock inputs of the PPM 1.

Реализация предложенного способа построения системы диаграммообразования в случае реализации приемных частей каналов ППМ по схеме радиоприемника прямого усиления возможна, например, с помощью устройства, структурная схема которого приведена на фиг. 2. Схема на фиг. 2 отличается от схемы на фиг. 1 отсутствием в составе ППМ 1 вторых ДМ 7 и отсутствием выходов гетеродинных сигналов в СФРС 9.The implementation of the proposed method for constructing a diagramming system in the case of the implementation of the receiving parts of the PPM channels according to the direct amplification radio receiver scheme is possible, for example, using a device whose structural diagram is shown in Fig. 2. The diagram in FIG. 2 differs from the circuit in FIG. 1 by the absence of the second DM 7 in the PPM 1 and the absence of heterodyne signal outputs in the SFRS 9.

ПФДН 5 первого уровня (фиг. 3) содержит К формирователей 10 по числу формируемых лучей, каждый из которых содержит N каналов, при этом каждый вход ПФДН 5 разветвляется на К по числу формирователей 10. Каждый канал формирователя 10 содержит перемножитель 11, первый вход которого является входом канала, ко второму входу подключен выход постоянного запоминающего устройства ПЗУ 12, а выход перемножителя 11 является выходом канала и подключен к одному из N входов цифрового сумматора 13, выход которого подключен к одному из К входов интерфейса И 14. Выход интерфейсам 14 является выходом ПФДН 5.PFDN 5 of the first level (Fig. 3) contains K shapers 10 according to the number of formed beams, each of which contains N channels, while each input of the PFDN 5 is branched into K according to the number of shapers 10. Each channel of the shaper 10 contains a multiplier 11, the first input of which is the input of the channel, the output of the read-only memory device ROM 12 is connected to the second input, and the output of the multiplier 11 is the output of the channel and is connected to one of the N inputs of the digital adder 13, the output of which is connected to one of the inputs of the interface AND 14. The output to interfaces 14 is the output PFDN 5.

ПФДН 8 второго или следующего уровней (фиг. 4) отличается от ПФДН 5 первого уровня числом каналов в формирователях 10. ПФДН 8 второго или следующего уровней содержит К формирователей 10 по числу формируемых лучей, каждый из которых содержит L каналов. При этом каждый вход ПФДН 8 разветвляется на К по числу формирователей 10. Каждый канал формирователя 10 содержит перемножитель 11, первый вход которого является входом канала, ко второму входу подключен выход постоянного запоминающего устройства ПЗУ 12, а выход перемножителя 11 является выходом канала и подключен к одному из L входов цифрового сумматора 13, выход которого подключен к одному из К входов интерфейса И 14. Выход интерфейса И 14 является выходом ПФДН 8 второго или следующего уровней.The PFDN 8 of the second or next levels (Fig. 4) differs from the PFDN 5 of the first level in the number of channels in the shapers 10. The PFDN 8 of the second or next levels contains K shapers 10 according to the number of generated beams, each of which contains L channels. In this case, each input of the PFDN 8 is branched into K according to the number of shapers 10. Each channel of the shaper 10 contains a multiplier 11, the first input of which is the input of the channel, the output of the read-only memory device ROM 12 is connected to the second input, and the output of the multiplier 11 is the output of the channel and is connected to one of the L inputs of the digital adder 13, the output of which is connected to one of the K inputs of the AND interface 14. The output of the AND interface 14 is the output of the PFDN 8 of the second or next levels.

РПУ 3 (фиг. 5) при его реализации по супергетеродинной схеме содержит последовательно соединенные полосовой фильтр (ПФ) 15, вход которого является входом РПУ 3, малошумящий усилитель (МШУ) 16, смеситель (СМ) 17, гетеродинный вход которого является гетеродинным входом РПУ 3, усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 18, выход которого является выходом РПУ 3.RPA 3 (Fig. 5), when implemented according to a superheterodyne circuit, contains a series-connected bandpass filter (PF) 15, the input of which is the input of RPA 3, a low-noise amplifier (LNA) 16, a mixer (CM) 17, the heterodyne input of which is a heterodyne input of the RPA 3, an intermediate frequency amplifier (IFA) 18, the output of which is the output of the RPU 3.

РПУ 3 (фиг. 6) при его реализации по схеме радиоприемника прямого усиления содержит последовательно соединенные ПФ 15, вход которого является входом РПУ 3, МШУ 16, выход которого является выходом РПУ 3.RPU 3 (Fig. 6), when implemented according to the direct amplification radio receiver circuit, contains series-connected PF 15, the input of which is the input of RPU 3, LNA 16, the output of which is the output of RPU 3.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.A device that implements the proposed method works as follows.

В случае реализации РПУ 3 по супергетеродинной схеме (фиг. 5) сигналы, принимаемые АЭ 2 (фиг. 1), поступают на РПУ 3, где фильтруются в ПФ 15 (фиг. 5), усиливаются в МШУ 16, преобразуются по частоте в СМ 17 с помощью сигнала гетеродина Fгeт, поступающего на гетеродинный вход СМ 17 от второго ДМ 7, усиливаются в УПЧ 18 и поступают на АЦП 4.In the case of the implementation of the RPU 3 according to the superheterodyne circuit (Fig. 5), the signals received by the AE 2 (Fig. 1) are fed to the RPA 3, where they are filtered in the PF 15 (Fig. 5), amplified in the LNA 16, and converted in frequency into the CM 17 with the help of the local oscillator signal Fget fed to the heterodyne input CM 17 from the second DM 7 are amplified in the IF amplifier 18 and fed to the ADC 4.

В случае реализации РПУ 3 в виде радиоприемника прямого усиления (фиг. 6) сигналы, принимаемые АЭ 2 (фиг. 2), поступают на РПУ 3, где фильтруются в ПФ 15 (фиг. 6), усиливаются в МШУ 16 и поступают на АЦП 4.In the case of the implementation of the RPU 3 in the form of a direct amplification radio receiver (Fig. 6), the signals received by the AE 2 (Fig. 2) are fed to the RPA 3, where they are filtered in the PF 15 (Fig. 6), amplified in the LNA 16 and fed to the ADC 4.

В АЦП 4 принимаемый сигнал преобразуется в поток цифровых отсчетов. Smn(t), следующих с тактовой частотой Fт, поступающей на тактовый вход АЦП 4 от первого ДМ 6, отсчеты с выходов АЦП 4 поступают на входы формирователей 10 из состава ПФДН 5 первого уровня.In ADC 4, the received signal is converted into a stream of digital samples. S mn (t), following with the clock frequency Ft, arriving at the clock input of the ADC 4 from the first DM 6, the samples from the outputs of the ADC 4 are fed to the inputs of the shapers 10 from the composition of the PFDN 5 of the first level.

Из полученных цифровых отсчетов в ПФДН 5 первого уровня формируют последовательность отсчетов парциальных ДН (лучей) первого уровня путем взвешенного суммирования отсчетов с выходов N АЦП 4. При размещении АЭ 2 ППМ 1 линейкой в горизонтальной плоскости в ПФДН 5 первого уровня последовательность отсчетов; i-го луча с направлением максимума ϕi, вычисляется умножением цифрового потока с каждого АЦП 4 в перемножителях 11 (фиг.3) на весовой множитель

Figure 00000001
из ПЗУ 12 и суммированиям в цифровом сумматоре 13:From the obtained digital readings in the first level PFDN 5 form a sequence of readings of the partial DN (rays) of the first level by weighted summation of the counts from the N ADC 4 outputs. When placing the AE 2 PPM 1 with a ruler in the horizontal plane in the first level PFDN 5, the sequence of readings; of the i-th ray with the direction of the maximum ϕ i , is calculated by multiplying the digital stream from each ADC 4 in multipliers 11 (Fig. 3) by a weight factor
Figure 00000001
from ROM 12 and summation in a digital adder 13:

Figure 00000002
Figure 00000002

где

Figure 00000003
Where
Figure 00000003

dx - расстояние между АЭ 2 в горизонтальной плоскости;d x - distance between AE 2 in the horizontal plane;

λ - длина волны.λ is the wavelength.

Сформированные отсчеты К приемных лучей с выходов формирователей 10 поступают в интерфейс И 14, где преобразуются в последовательную форму и в виде последовательных кодов передаются в ПФДН 8 второго уровня (фиг. 4), где формируют парциальные ДН второго уровня.The generated samples K of the receiving beams from the outputs of the shapers 10 are fed to the I interface 14, where they are serialized and transmitted in the form of sequential codes to the PFDN 8 of the second level (Fig. 4), where partial DPs of the second level are formed.

В случае расположения LППМ 1 в подрешетке один над другим, парциальные ДН второго уровня формируются в вертикальной плоскости. Отсчеты i-го луча с направлением максимума θi вычисляются умножением цифровых потоков, соответствующих этому лучу с выходов LППМ 1 в перемножителях 11 (фиг. 4) на весовой множитель

Figure 00000004
из ПЗУ 12 и суммированиям в цифровом сумматоре 13:If LPPM 1 is located one above the other in the sublattice, the second-level partial DPs are formed in the vertical plane. The counts of the i-th ray with the direction of the maximum θ i are calculated by multiplying the digital streams corresponding to this ray from the outputs of LPPM 1 in multipliers 11 (Fig. 4) by a weighting factor
Figure 00000004
from ROM 12 and summation in a digital adder 13:

Figure 00000005
Figure 00000005

где

Figure 00000006
Where
Figure 00000006

dy - расстояние между АЭ 2 в вертикальной плоскости.d y is the distance between AE 2 in the vertical plane.

Сформированные отсчеты К приемных лучей с выходов формирователей 10 поступают в интерфейс И 14, где преобразуются в последовательную форму и в виде последовательных кодов передаются в ПФДН 8 следующего уровня (фиг. 4), где формируют парциальные ДН следующего уровня.The generated samples K of the receiving beams from the outputs of the shapers 10 are fed to the I interface 14, where they are serialized and transmitted in the form of sequential codes to the PFDN 8 of the next level (Fig. 4), where the partial DPs of the next level are formed.

Результирующую ДН формируют в ПФДН 8 последнего уровня, используя не более L последовательностей отсчетов парциальных диаграмм с выходов ПФДН 8 предыдущего уровня.The resulting DN is formed in the PFDN 8 of the last level, using no more than L sequences of readings of the partial diagrams from the outputs of the PFDN 8 of the previous level.

Число уровней формирования ДН определяется общим количеством МППМ 1 и количеством L ППМ 1 в подрешетках, при этом используют количество уровней формирования ДН, равноецелой части выраженияThe number of levels of MD formation is determined by the total number of MPPM 1 and the number L of PPM 1 in sublattices, while the number of levels of formation of MD is used, equal to the integer part of the expression

k=logL(M-l)+2, М>2.k = log L (Ml) +2, M> 2.

В случае реализации ППМ 1 на основе супергетеродинного радиоприемника в СФРС 9 (фиг. 1) формируются и распределяются на ППМ 1 сигналы гетеродина Fгeт и тактирования Fт, которые в каждом ППМ 1 делятся на N во втором ДМ 7 и первом ДМ 6 соответственно. Далее сигнал Fгeт подается на вход смесителя 17 (фиг. 5), сигнал Fт подается на тактовый вход АЦП 4.In the case of the implementation of PPM 1 on the basis of a superheterodyne radio receiver in the SFRS 9 (Fig. 1), the signals of the local oscillator Fget and the clock Ft are generated and distributed to the PPM 1, which in each PPM 1 are divided by N in the second DM 7 and the first DM 6, respectively. Next, the signal Fget is fed to the input of the mixer 17 (Fig. 5), the signal Ft is fed to the clock input of the ADC 4.

В случае реализации ППМ 1 на основе радиоприемника прямого усиления, в СФРС 9 (фиг. 2) формируется и распределяется на ППМ 1 сигнал тактирования Fт, который в каждом ППМ 1 делится на N в первом делителе мощности 6. Далее сигнал Fт подается на тактовый вход АЦП 4.In the case of the implementation of PPM 1 based on a direct amplification radio receiver, in the SDS 9 (Fig. 2), the clock signal Ft is generated and distributed to the PPM 1, which in each PPM 1 is divided by N in the first power divider 6. Then the signal Ft is fed to the clock input ADC 4.

Предлагаемый способ, по сравнению с прототипом, обеспечивает снижение требований к процессорам формирования ДН системы диаграммообразования за счет многоуровневой системы диаграммообразования, на каждом уровне которой параллельно формируются парциальные ДН из L потоков цифровых отсчетов.The proposed method, in comparison with the prototype, provides a reduction in the requirements for the processors of the formation of the MD of the diagramming system due to the multi-level diagramming system, at each level of which partial MDs are formed in parallel from L streams of digital samples.

В то время как в прототипе используется единственный процессор формирования ДН, одновременно обрабатывающий последовательности отсчетов сигналов сM ППМ. С учетом того, что АФАР могут иметь до сотни ППМ, процессор должен иметь соответствующее количество входов, а конструкция системы диаграмообразования должна включать соответствующее количество кабелей, сходящихся к одному процессору.At the same time, the prototype uses a single processor for forming the pattern, simultaneously processing the sequence of samples of the signals with M PPM. Taking into account the fact that APARs can have up to hundreds of PPMs, the processor must have an appropriate number of inputs, and the design of the diagramming system must include an appropriate number of cables converging to one processor.

Предлагаемый способ, по сравнению с прототипом, обеспечивает более высокую надежность системы диаграммообразования АФАР за счет параллельного включения процессоров, при этом выход из строя одного из них приводит только к частичной потере работоспособности, что приводит только к искажению формы ДН. В то время как в прототипе за счет использования единственного процессора его отказ приводит к отказу всей АФАР.The proposed method, in comparison with the prototype, provides a higher reliability of the AFAR diagramming system due to the parallel connection of processors, while the failure of one of them leads only to a partial loss of performance, which only leads to distortion of the DN shape. While in the prototype, due to the use of a single processor, its failure leads to the failure of the entire AFAR.

Claims (1)

Способ построения системы диаграммообразования активной фазированной антенной решетки, при котором принятый каждым антенным элементом сигнал усиливают, фильтруют в полосовом фильтре и выполняют его дискретизацию с помощью аналого-цифрового преобразования, формируют диаграмму направленности путем весового суммирования последовательностей отсчетов входных сигналов, соответствующих одним и тем же моментам квантования, отличающийся тем, что формируют антенное полотно из М N-канальных приемопередающих модулей, объединенных в подрешетки по L приемопередающих модулей, при этом в случае выполнения приемной части в виде супергетеродинного радиоприемника выполняют преобразование частоты входного сигнала, формируют последовательность отсчетов парциальных диаграмм направленности первого уровня во встроенных в приемопередающие модули процессорах формирования диаграммы направленности первого уровня, формируют парциальные диаграммы направленности второго уровня в процессорах формирования диаграммы направленности второго уровня путем весового суммирования последовательностей отсчетов с выходов процессоров формирования диаграммы направленности первого уровня из состава подрешетки, формируют результирующие диаграммы направленности в процессорах формирования диаграммы направленности последнего уровня, используя не более L последовательностей отсчетов парциальных диаграмм с выходов процессоров формирования диаграммы направленности предыдущего уровня, при этом используют количество уровней формирования диаграммы направленности, равное целой части выражения k=logL(M-1)+2, для М>2, а для передачи последовательностей отсчетов диаграмм направленности между процессорами формирования диаграммы направленности используют линии связи с последовательной передачей данных.A method for constructing a beamforming system for an active phased antenna array, in which the signal received by each antenna element is amplified, filtered in a bandpass filter and sampled using an analog-to-digital conversion, a directional diagram is formed by the weighting summation of the input signal sample sequences corresponding to the same moments quantization, characterized in that an antenna web is formed from M N-channel transceiver modules, combined into subarrays along L transceiver modules, while in the case of the receiving part in the form of a superheterodyne radio receiver, the frequency conversion of the input signal is performed, a sequence of samples of the partial radiation patterns of the first level is formed in the first-level beamforming processors built into the transceiver modules, form partial second-level beamforms in beamforming processors on directionality of the second level by weighting the summation of the sequences of readings from the outputs of the processors for forming the beamforming of the first level from the subarray, form the resulting radiation patterns in the processors for forming the beamforming of the last level, using no more than L sequences of readings of the partial patterns from the outputs of the processors for forming the beamforming of the previous level, when This uses the number of beamforming levels equal to the integer part of the expression k = log L (M-1) +2, for M> 2, and serial data lines are used to transmit patterns of beamforming samples between beamforming processors.
RU2019118957A 2019-06-17 2019-06-17 Method of constructing a beam-forming system for an active phased antenna array RU2731604C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019118957A RU2731604C1 (en) 2019-06-17 2019-06-17 Method of constructing a beam-forming system for an active phased antenna array

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019118957A RU2731604C1 (en) 2019-06-17 2019-06-17 Method of constructing a beam-forming system for an active phased antenna array

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2731604C1 true RU2731604C1 (en) 2020-09-04

Family

ID=72421722

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019118957A RU2731604C1 (en) 2019-06-17 2019-06-17 Method of constructing a beam-forming system for an active phased antenna array

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2731604C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2774214C1 (en) * 2021-05-31 2022-06-16 Сергей Евгеньевич Мищенко Method for building a beam formation system of a receiving digital antenna array

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1993000724A1 (en) * 1991-06-20 1993-01-07 Her Majesty The Queen In Right Of Canada As Represented By The Minister Of Communications Active integrated microstrip antenna
US6831600B1 (en) * 2003-08-26 2004-12-14 Lockheed Martin Corporation Intermodulation suppression for transmit active phased array multibeam antennas with shaped beams
RU2495449C2 (en) * 2011-11-15 2013-10-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Apparatus for forming active phased antenna array beam pattern
RU2495447C2 (en) * 2011-11-15 2013-10-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Beam forming method
RU2526891C1 (en) * 2013-05-07 2014-08-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" Method of measuring beam characteristics of active/passive phased antenna array
RU2516683C9 (en) * 2012-10-17 2014-08-27 Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения" Active phased antenna array digital beamforming method when emitting and receiving chirp signal
CN105372648A (en) * 2015-11-10 2016-03-02 中国空空导弹研究院 Angle searching method based on multi-beam signals
US9374145B2 (en) * 2012-11-26 2016-06-21 Agence Spatiale Europeenne Beam-forming network for an array antenna and array antenna comprising the same

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1993000724A1 (en) * 1991-06-20 1993-01-07 Her Majesty The Queen In Right Of Canada As Represented By The Minister Of Communications Active integrated microstrip antenna
US6831600B1 (en) * 2003-08-26 2004-12-14 Lockheed Martin Corporation Intermodulation suppression for transmit active phased array multibeam antennas with shaped beams
RU2495449C2 (en) * 2011-11-15 2013-10-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Apparatus for forming active phased antenna array beam pattern
RU2495447C2 (en) * 2011-11-15 2013-10-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Beam forming method
RU2516683C9 (en) * 2012-10-17 2014-08-27 Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения" Active phased antenna array digital beamforming method when emitting and receiving chirp signal
US9374145B2 (en) * 2012-11-26 2016-06-21 Agence Spatiale Europeenne Beam-forming network for an array antenna and array antenna comprising the same
RU2526891C1 (en) * 2013-05-07 2014-08-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" Method of measuring beam characteristics of active/passive phased antenna array
CN105372648A (en) * 2015-11-10 2016-03-02 中国空空导弹研究院 Angle searching method based on multi-beam signals

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
НЕЧАЕВ Ю.Б., БОРИСОВ Д.Н., ПЕШКОВ И.В. Алгоритмы диаграммообразования адаптивных антенных решеток в условиях многолучевого распространения радиоволн // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Экономика. Информатика. 2012. N1(120). Выпуск 21/1. С. 193-202 *
НЕЧАЕВ Ю.Б., БОРИСОВ Д.Н., ПЕШКОВ И.В. Алгоритмы диаграммообразования адаптивных антенных решеток в условиях многолучевого распространения радиоволн // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Экономика. Информатика. 2012. N1(120). Выпуск 21/1. С. 193-202. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2774214C1 (en) * 2021-05-31 2022-06-16 Сергей Евгеньевич Мищенко Method for building a beam formation system of a receiving digital antenna array

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10979117B2 (en) Method, system and apparatus for beam forming in a radio frequency transceiver with reduced complexity
KR101027238B1 (en) Phase shifting and combining architecture for phased arrays
US8345716B1 (en) Polarization diverse antenna array arrangement
CN108051782B (en) Large-scale phased array difference beam forming system based on subarray division
JP5911331B2 (en) Monopulse angle measuring device and monopulse angle measuring method
CN110824414A (en) Device and method for estimating angle of arrival
CN102544751A (en) Multi-target medium frequency digital phased-array antenna
Wang et al. Optimum sparse array design for multiple beamformers with common receiver
Yeary et al. Recent advances on an S-band all-digital mobile phased array radar
CN110837075A (en) Low-complexity polarization parameter estimation tracking device and method
CN111859644A (en) Receiving beam forming and azimuth scanning method of circular phased array antenna
CN104868946B (en) The disturbance restraining method of adaptive weighted Subarray mixing MIMO phased array systems
RU2410804C1 (en) Multibeam active antenna array
RU2731604C1 (en) Method of constructing a beam-forming system for an active phased antenna array
CN106842147B (en) A kind of digital beam froming method solving graing lobe interference problem
JP6622118B2 (en) Antenna device and radar device
RU2730120C1 (en) Method of constructing an active phased antenna array
JP2010068482A (en) Array antenna apparatus
RU2577827C1 (en) Self-focusing multibeam antenna array
RU2697194C1 (en) Method of constructing an active phased antenna array
RU2584458C1 (en) Digital scanning receiving antenna array for radar station
RU2764000C1 (en) Method for forming a directional diagram
RU2717258C1 (en) Method of constructing an active phased antenna array
JP2017146156A (en) Radar device
CN110018466B (en) MUSIC beam forming method based on molecular array preprocessing