RU2742287C1 - Способ формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки - Google Patents
Способ формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки Download PDFInfo
- Publication number
- RU2742287C1 RU2742287C1 RU2020124237A RU2020124237A RU2742287C1 RU 2742287 C1 RU2742287 C1 RU 2742287C1 RU 2020124237 A RU2020124237 A RU 2020124237A RU 2020124237 A RU2020124237 A RU 2020124237A RU 2742287 C1 RU2742287 C1 RU 2742287C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- partial
- amplitude
- beams
- coordinates
- antenna array
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Изобретение относится к антенной технике, в частности к способам управления формой диаграммы направленности фазированной антенной решетки. Техническим результатом изобретения является повышение энергетической эффективности при формировании расширенной диаграммы направленности. Технический результат достигается тем, что в способе формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки, основанном на определении амплитудно-фазового распределения в ее раскрыве, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении u0, формировании расширенной диаграммы направленности парциальными лучами, выборе пространственных положений парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности, в отличие от прототипа в фазированной антенной решетке с начальным синфазным распределением, излучатели которой имеют координаты xi с соответствующей последовательной нумерацией от 1 до М, парциальные лучи формируются парами соседних излучателей, пронумерованных в той же последовательности от 1 до (М-1), амплитуды первого F1 и последнего FM-1 парциальных лучей образуются соответственно суммой амплитуды сигнала первого излучателя и половинного значения амплитуды второго и суммой половинного значения амплитуды сигнала предпоследнего излучателя и амплитуды последнего, амплитуды остальных парциальных лучей образуются суммами половинных значений амплитуд сигналов соответствующих соседних излучателей, каждому парциальному лучу последовательно в соответствии с номером парциального луча m выделяется угловой интервал Δum в обобщенных координатах u=sin(θ), где θ - угол относительно нормали к раскрыву, определяются координаты um середины углового интервала, выделяемого каждому парциальному лучу с текущим номером m, в которые направляются соответствующие парциальные лучи, путём добавления к начальной фазе сигнала, проходящего через каждый излучатель, таким образом, что фаза первого излучателя не изменяется, а фазы всех последующих излучателей изменяются одновременно на соответствующую величину. 5 ил.
Description
Изобретение относится к области антенной техники, в частности к способам управления формой диаграммы направленности (ДН) фазированной антенной решетки (ФАР).
При формировании диаграмм направленности специальной формы часто используются расширенные в одной из главных плоскостей лучи. В пассивных ФАР амплитудное распределение жестко ограничено параметрами распределительной системы. Поэтому все трансформации формы луча могут производиться только путем управления фазовым распределением в раскрыве ФАР. В таких условиях задача формирования лучей расширенной формы решается методами фазового синтеза.
Известен способ расширения луча на основе введения начального фазового распределения, когда к необходимому для управления лучом закону управления фазами сигналов в излучателях добавляют фазовые подставки, имеющие сферическую, параболическую или обобщенную полиномиальную формы [1 - Самойленко В.И., Шишов Ю.А. Управление фазированными антенными решетками. М.: Радио и связь, 1983, с. 129-142]. Так в многофункциональной антенной решетке при реализации квадратичного закона управления фазой ширина диаграммы направленности изменяется в несколько раз [2 - Бибарсов М.Р., Волошина В.А., Землянский С.В., Мануйлов Б.Д. и др. Исследование характеристик многофункциональной антенной решетки // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника, 2012, вып. 2, с. 3-9]. Недостатком способа, основанного на введении фазовой подставки, является то, что лучи, формируемые на его основе, обладают недостаточно высокой энергетической эффективностью, а с расширением луча растут и боковые лепестки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является «Способ формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки» (RU 2644456 С1, заявка №2016152832 от 30.12.2016г., опубл. 12.02.2018г., МПК H01Q 3/26). Он основан на определении амплитудно-фазового распределения в раскрыве фазированной антенной решетки, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении u0, выборе пространственных положений парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности. Расширенную диаграмму направленности формируют тремя парциальными лучами, причем центральный парциальный луч ориентирован в заданном направлении u0, а два боковых парциальных луча смещены в противоположных относительно центрального луча направлениях на угол u1 Значение угла u1 выбирают из решения оптимизационной задачи по критерию минимума
где ƒ(u - u0), ƒ(u - u0 + u1), ƒ(u - u0 - u1) - соответственно диаграммы направленности центрального парциального и двух боковых парциальных лучей;
u0=0,5kLsinθ0 - направление максимума формируемой диаграммы направленности и центрального парциального луча в обобщенных координатах;
u1=0,5kLsinθ1 - смещение боковых парциальных лучей относительно максимума формируемой диаграммы направленности в обобщенных координатах;
а - амплитуды отклоненных боковых парциальных лучей;
u=0,5kLsinθ - обобщенная координата;
L - размер раскрыва фазированной антенной решетки в плоскости формируемой расширенной диаграммы направленности;
k - волновое число,
определяют амплитуды боковых парциальных лучей в соответствии с выражением
а = (ƒ(Δ) - 0,707)(0,707(ƒ(u1) + ƒ(-u1)) - (ƒ(Δ + u1) + ƒ(Δ - u1)))-1,
где
Δ - полуширина диаграммы направленности суммарного луча по уровню половинной мощности,
а результирующее амплитудно-фазовое распределение в раскрыве фазированной антенной решетки рассчитывают по формуле
A(x) = A0(х) (1 + a (ехр(ikx sinθ1) + exp(-ikx sinθ1))) = A0(x) (1 + 2а cos (kx sinθ1)),
где А0(х) - амплитудно-фазовое распределение в раскрыве, обеспечивающее формирование центрального парциального луча в направлении u0.
Основными недостатками «Способа формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки», выбранного за прототип, являются:
- расширенная диаграмма направленности формируется всего тремя парциальными лучами, вследствие чего сформированный луч не обладает хорошей энергоэффективностью, поскольку его форма не является прямоугольной, особенно при больших коэффициентах расширения;
- для формирования расширенного луча требуется в раскрыве ФАР изменять как фазовое, так и амплитудное распределения, что ограничивает использование способа только активными ФАР;
- для определения углов направления парциальных лучей требуется решать оптимизационные задачи, что усложняет алгоритм поиска решения.
Задачей изобретения является управление фазовым распределением в раскрыве ФАР для формирования расширенных лучей диаграммы направленности фазированной антенной решетки.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение энергетической эффективности при формировании расширенной диаграммы направленности.
Сущность предлагаемого способа заключается в определении амплитудно-фазового распределения в раскрыве фазированной антенной решетки, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении u0, формировании расширенной диаграммы направленности парциальными лучами, выборе пространственных положений парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности. Новыми признаками, обеспечивающими достижение заявленного технического эффекта, являются следующие: в фазированной антенной решетке с начальным синфазным распределением, излучатели которой имеют координаты xi с соответствующей последовательной нумерацией от 1 до М, парциальные лучи формируются тарами соседних излучателей, пронумерованных в той же последовательности от 1 до (М-1). Амплитуды первого F1 и последнего FM-1 парциальных лучей образуются соответственно суммой амплитуды сигнала первого излучателя и половинного значения амплитуды второго, и суммой половинного значения амплитуды сигнала предпоследнего излучателя и амплитуды последнего. Амплитуды остальных парциальных лучей образуются суммами половинных значений амплитуд сигналов соответствующих соседних излучателей. Каждому парциальному лучу последовательно, в соответствии с номером парциального луча m выделяется угловой интервал Δum в обобщенных координатах u=sin(θ), где θ - угол относительно нормали к раскрыву, в соответствии с выражением:
где:
m - номер парциального луча;
n - текущий номер парциального луча;
ΔU - значение половины ширины расширенного луча по уровню половинной мощности,
Fn - текущая амплитуда парциального луча;
Fm - амплитуда парциального луча,
определяются координаты um середины углового интервала, выделяемого каждому парциальному лучу с номером m, в соответствии с выражением:
где
Δun - текущий номер углового интервала, в которые направляются соответствующие парциальные лучи, путём добавления к начальной фазе сигнала, проходящего через каждый излучатель, таким образом, что фаза первого излучателя не изменяется, а фазы всех последующих излучателей изменяются одновременно на величину, определяемую выражением:
где:
k = 2π/λ - волновое число;
Δxi-1 =(xi - xi-1) - расстояние между координатами соседних излучателей с номерами i и (i-1).
На Фиг. 1 приведено разбиение линейной ФАР на парные подрешетки с учетом виртуального расщепления амплитуд, входящих в соседние подрешетки.
На Фиг. 2 представлена операция формирования расширенного луча посредством суперпозиции парциальных лучей, образованных парами соседних излучателей.
На Фиг. 3 показан процесс определения расположения n-ой угловой зоны и ее размеров, который можно наглядно отобразить при использовании соответствующих интегральных функций Р(х) и Ρ(u), выражающих энергетический баланс распределения энергии в раскрыве ФАР с одной стороны и угловом пространстве с другой.
На Фиг. 4 приведено равномерное фазовое распределение и, соответствующая ему, исходная ДН с нерасширенным лучом.
На Фиг. 5 приведено измененное фазовое распределение вдоль раскрыва, формирующее соответствующий расширенный луч.
Формирование расширенного луча фазированной антенной решеткой предлагаемым способом осуществляется следующим образом:
- с учетом заданного амплитудного распределения в раскрыве ФАР рассчитывают уровни парциальных лучей {Fm}, образованных парами соседних излучателей (Фиг. 1). Численно эти уровни равны сумме вкладов амплитуд соседних излучателей, формирующих парциальные лучи;
- задаются значениями половины ширины расширенного луча по уровню половинной мощности ΔU и направлением на центр расширенного луча u0;
- определяют угловые интервалы {Δum}, соответствующие каждому парциальному лучу, используя выражение (1);
- определяют координаты середины каждого углового интервала {um}, выделяемому каждому парциальному лучу, используя выражение (2);
- определяют фазовое распределение {Δϕm}, формирующее секторный луч, используя выражение (3).
Требуемая форма луча обеспечивается за счет правильного расположения парциальных лучей с учетом их уровня. Энергия, излучаемая каждым m-ым элементом раскрыва, расположенным на интервале Δxm, должна быть направлена в соответствующую m-ую угловую зону, и именно она должна определять плотность энергии в зоне Δun. Процесс определения расположения m-ой угловой зоны и ее размеров можно наглядно отобразить при использовании соответствующих интегральных функций Р(х) и Р(u), выражающих энергетический баланс распределения энергии в раскрыве ФАР с одной стороны и угловом пространстве с другой (Фиг. 3).
Уровень максимумов парциальных ДН Fm(0) определяется видом амплитудного распределения в раскрыве и местоположением пары соответствующих излучателей:
Ширина углового интервала, выделяемого каждому парциальному лучу (Фиг. 3), пропорциональна уровню парциального луча и определяется, выражением
Максимумы парциальных лучей должны быть направлены в центры соответствующих интервалов, поэтому они будут определяться в ыражением, учитывающим начало расширенного луча (umin=u0-ΔU) и размеры предыдущих угловых интервалов
Так, в случае эквидистантного расположения элементов, для установки парциальных лучей в направления {um} необходимо обеспечить сдвиг фаз на правых излучателях подрешеток на величину
Δφm+1 =-kdum.
Очевидно, что фазы общих излучателей соседних подрешеток должны быть одинаковы (Фиг. 1). С учетом того, что фазу первого (самого левого) излучателя можно не изменять, искомая фаза излучателя с номером m (m>1) будет определяться формулой, учитывающей сдвиги фаз на предыдущих подрешетках
Полученное фазовое распределение {Δϕm} и будет формировать расширенный луч.
Поскольку амплитудная составляющая ДН ФАР не зависит от знака дополнительного фазового распределения в раскрыве, то, такой же расширенный луч будет формировать и фазовое распределение, взятое с противоположным знаком. Поэтому, существуют два фазовых распределения, отличающихся знаками фаз, формирующие один и тот же расширенный луч
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявленный способ имеет следующие отличительные свойства:
- используется большее число парциальных лучей, количество которых равно (М-1), где Μ - число излучателей ФАР, что позволяет обеспечить большую энергоэффективность (прямоугольность) формы расширенного луча;
- для формирования луча необходимо в раскрыве ФАР изменять только фазовое распределение, что позволяет использовать заявленный способ как в активных, так и в пассивных ФАР;
- для определения углов направления парциальных лучей {um} не требуется решать оптимизационные задачи.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявленный способ открывает значительные преимущества в использовании фазового синтеза секторных лучей, важнейшими из которых являются:
- возможность на основе известного амплитудного распределения в раскрыве и требуемой формы луча на основе простых алгебраических операций однозначно определять фазовое распределение;
- секторные лучи, полученные с использованием данного метода, обладают высокой энергетической эффективностью;
- рассматриваемый подход исключает необходимость решения оптимизационной задачи по критерию минимума, вместо этого предлагается использовать простые формулы, не требующие сложных вычислений;
- возможность реализации луча с требуемыми коэффициентами расширения непосредственно в ходе работы РЛС.
Claims (16)
- Способ формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки, основанный на определении амплитудно-фазового распределения в ее раскрыве, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении u0, формировании расширенной диаграммы направленности парциальными лучами, выборе пространственных положений парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности, отличающийся тем, что в фазированной антенной решетке с начальным синфазным распределением, излучатели которой имеют координаты xi с соответствующей последовательной нумерацией от 1 до М, парциальные лучи формируются парами соседних излучателей, пронумерованных в той же последовательности от 1 до (М-1), амплитуды первого F1 и последнего FM-1 парциальных лучей образуются соответственно суммой амплитуды сигнала первого излучателя и половинного значения амплитуды второго и суммой половинного значения амплитуды сигнала предпоследнего излучателя и амплитуды последнего, амплитуды остальных парциальных лучей образуются суммами половинных значений амплитуд сигналов соответствующих соседних излучателей, каждому парциальному лучу последовательно в соответствии с номером парциального луча m выделяется угловой интервал Δum в обобщенных координатах u=sin(θ), где θ - угол относительно нормали к раскрыву, в соответствии с выражением
- где
- m - номер парциального луча;
- n - текущий номер парциального луча;
- ΔU - значение половины ширины расширенного луча по уровню половинной мощности,
- Fn - текущая амплитуда парциального луча;
- Fm - амплитуда парциального луча,
- определяются координаты um середины углового интервала, выделяемого каждому парциальному лучу с текущим номером m, в соответствии с выражением
- где Δun - текущий номер углового интервала,
- в которые направляются соответствующие парциальные лучи, путём добавления к начальной фазе сигнала, проходящего через каждый излучатель, таким образом, что фаза первого излучателя не изменяется, а фазы всех последующих излучателей изменяются одновременно на величину, определяемую выражением
- где
- k = 2π/λ - волновое число;
- Δxi-1=(xi - xi-1) - расстояние между координатами соседних излучателей с номерами i и (i-1).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020124237A RU2742287C1 (ru) | 2020-07-14 | 2020-07-14 | Способ формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020124237A RU2742287C1 (ru) | 2020-07-14 | 2020-07-14 | Способ формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2742287C1 true RU2742287C1 (ru) | 2021-02-04 |
Family
ID=74554861
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020124237A RU2742287C1 (ru) | 2020-07-14 | 2020-07-14 | Способ формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2742287C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2764000C1 (ru) * | 2021-04-01 | 2022-01-12 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Способ формирования диаграммы направленности |
RU2794466C1 (ru) * | 2022-06-02 | 2023-04-19 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Способ обзора воздушного пространства импульсно-доплеровской радиолокационной станцией с активной фазированной антенной решеткой |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2072525C1 (ru) * | 1993-09-29 | 1997-01-27 | Нижегородский государственный технический университет | Способ формирования диаграммы направленности |
US7880675B1 (en) * | 2008-12-16 | 2011-02-01 | Ball Aerospace & Technologies Corp. | Multipath mitigation |
RU2495447C2 (ru) * | 2011-11-15 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Способ формирования диаграммы направленности |
RU2644456C1 (ru) * | 2016-12-30 | 2018-02-12 | Алексей Вадимович Литвинов | Способ формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки |
-
2020
- 2020-07-14 RU RU2020124237A patent/RU2742287C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2072525C1 (ru) * | 1993-09-29 | 1997-01-27 | Нижегородский государственный технический университет | Способ формирования диаграммы направленности |
US7880675B1 (en) * | 2008-12-16 | 2011-02-01 | Ball Aerospace & Technologies Corp. | Multipath mitigation |
RU2495447C2 (ru) * | 2011-11-15 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Способ формирования диаграммы направленности |
RU2644456C1 (ru) * | 2016-12-30 | 2018-02-12 | Алексей Вадимович Литвинов | Способ формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2764000C1 (ru) * | 2021-04-01 | 2022-01-12 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Способ формирования диаграммы направленности |
RU2794466C1 (ru) * | 2022-06-02 | 2023-04-19 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Способ обзора воздушного пространства импульсно-доплеровской радиолокационной станцией с активной фазированной антенной решеткой |
RU2808693C1 (ru) * | 2023-04-25 | 2023-12-01 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Способ управления шириной расширенных лучей фазированной антенной решетки |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7053272B2 (ja) | フェーズド・アレイ・アンテナ・システムのための広帯域ビームの拡張 | |
CN106407723B (zh) | 面向低副瓣的稀疏排布阵列天线激励电流幅度的确定方法 | |
Xu et al. | Pattern synthesis of conformal antenna array by the hybrid genetic algorithm | |
RU2742287C1 (ru) | Способ формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки | |
CN108845304B (zh) | 一种五维台阵mimo雷达波形设计方法 | |
Oliveri et al. | Synthesis of monopulse sub-arrayed linear and planar array antennas with optimized sidelobes | |
RU2644456C1 (ru) | Способ формирования расширенной диаграммы направленности фазированной антенной решетки | |
Alijani et al. | Development a new technique based on least square method to synthesize the pattern of equally space linear arrays | |
US5706012A (en) | Radar system method using virtual interferometry | |
Battaglia et al. | Synthesis of orbital angular momentum antennas for target localization | |
RU2808693C1 (ru) | Способ управления шириной расширенных лучей фазированной антенной решетки | |
Mandal et al. | Synthesis of steered flat-top beam pattern using evolutionary algorithm | |
Recioui | Optimization of antenna arrays using different strategies based on Taguchi method | |
Nemri et al. | Phase-only array beam control using a Taguchi optimization method | |
RU2680732C1 (ru) | Способ формирования пеленгационных диаграмм направленности в антенне кругового электронного сканирования | |
US4032917A (en) | Synthesis technique for constructing cylindrical and spherical shaped wave guide arrays to form pencil beams | |
RU2716262C1 (ru) | Способ измерения угла места радиолокационных целей цилиндрической фазированной антенной решеткой | |
Kumar et al. | Phase only pattern synthesis for antenna array using genetic algorithm for radar application | |
RU2559763C2 (ru) | Способ формирования провалов в направлениях источников помех в диаграммах направленности плоских фазированных антенных решеток с непрямоугольной границей раскрыва | |
RU2300833C1 (ru) | Антенная система | |
RU2314610C1 (ru) | Способ энергетической оптимизации фазированной антенной решетки | |
RU2195054C2 (ru) | Способ раздельного формирования нулей в суммарной и разностной диаграммах направленности моноимпульсной фазированной антенной решетки | |
CN112926261B (zh) | 一种相控阵列天线副瓣快速计算方法及降副瓣方法 | |
JP2006174108A (ja) | アレーアンテナとその配置方法 | |
Kashin et al. | Amplitude-phase synthesis of controlled nulls in sum and difference patterns of monopulse planar phased antenna array |