ГЛАВА 6. Адаптивная цифровая приемная ФАР

6.1. Антенные решетки с аналоговым формированием диаграмм направленности

Антенной решеткой обычно называют антенну, состоящую из идентичных излучателей (антенн), регулярно и одинаково расположенных в пространстве. Наибольшее распространение получили: линейные решетки, излучатели которых с постоянным шагом располагаются вдоль прямой линии; плоские решетки, излучатели которых располагаются на плоскости в узлах прямоугольной или треугольной (чаще гексогональной) координатной сетки; и круговые — цилиндрические и сферические решетки — излучатели расположены равномерно по окружности вокруг цилиндра или сферы, ориентация излучателей может изменяться в зависимости от углового положения в пространстве в соответствии с направлением орт систем координат.

Элементами решетки могут быть простые антенны: вибраторы, щели, спирали и т.д., а также антенны с размером раскрыва больше длины волны, например, рупорные, зеркальные, линзовые и подрешетки (линейные, поверхностные решетки простых излучателей). Вначале получили применение простые антенные решетки с электрически неуправляемым положением ДН в пространстве. ДН плоской решетки с расположением одинаково возбужденных излучателей в узлах прямоугольной координатной сетки при синусоидальном изменении сигнала во времени выражается формулой

где углы сферической системы координат, оси которой совмещены с осями раскрыва антенны числоишаг излучателей по строке и столбцу соответственно; направление главного максимума ; k — волновое число; излучателя решетки. Величины и (6.2)

соответствуют прогрессивному набегу фаз между излучателями по строке и столбцу. Если эти параметры сделать управляемыми, то решетка станет фазированной (ФАР) и будет обеспечивать немеханический обзор пространства.

В неадаптивных решетках обычно применяется синфазное сложение принятых каждым излучателем сигналов с заданного направления в пространстве. Сложение осуществляется с помощью сумматоров, выполненных на элементах фидерного тракта или радиооптики (зеркала, линзы). Математически сложение сигналов выражается соотношением

где комлексный сигнал, принятый излучателем; комплексный весовой коэффициент, пропорционально которому изменяется принятый излучателем сигнал и шум в сумматоре.

Для плоской решетки при приеме плоской волны амплитуды принятых излучателями сигналов одинаковы и могут быть положены равными 1, а фазы определятся выражением

где — радиус-вектор, проведенный из начала координат к фазовому центру излучателя; единичный вектор, проведенный из начала координат в направление

При этом принятый каждым излучателем сигнал

Чтобы принять максимальный сигнал с направления весовые коэффициенты должны быть равны

Рис. 6.1. Система координат

где равно при в .

Выражение (6.3) при сигнале (6.6) и весовых коэффициентах (6.7) с точностью до постоянного множителя совпадает с решетки с равномерным амплитудным распределением с максимумом в направлении Для уменьшения боковых лепестков в (6 7) нужно ввести амплитудный множитель

Для проведения вычислений удобно (6.3) представить в матричной форме. Тогда

где матрица-столбец (вектор) принятых сигналов, элементы которой даются выражении (6); вектор весовых коэффициентов; знак транспонирования.

В случае плоской решетки, с излучателями, расположенными в узлах прямоугольной координатной сетки номер строки, номер столбца) можно записать

где число строк и столбцов соответственно. В этом случае

и для обеспечения синфазного сложения принятых излучателями сигналов

где — значение, сопряженное с

Разработка ФАР была стимулирована созданием баллистических и оперативно-тактических ракет, так как РЛС, использующие антенны с механическим качанием не могли обеспечить требуемую скорость обзора пространства для их обнаружения и сопровождения, а при необходимости достижения очень больших дальностей обнаружения механическое качание становилось просто невозможным. В первую очередь были освоены ФАР с качанием путем изменения частоты [5] в одной плоскости и системой (веером) в другой, т.е. с частотно-фазовым качанием.

Однако, РЛС с такими ФАР имеют ряд недостатков.

для их работы требуется более широкий диапазон частот, чем это необходимо для получения заданного разрешения и точности по дальности;

возможное разрешение и точность по дальности определяется углочастотными свойствами и шириной антенны;

частота оказывается связанным параметром, так как определяется требуемым угловым направлением максимума что отрицательно сказывается на помехозащищенности станции.

Эти недостатки ограничили применение антенн с частотным качанием и способствовали разработке ФАР с фазовым коммутационным качанием луча [6].

Параллельно с теорией, методами расчета и элементной базой ФАР развивались и методы адаптации ФАР к помеховой обстановке: ослабление влияния на радиостанцию с ФАР преднамеренных и непреднамеренных помех [7, 8, 9]. Это достигается путем специального формирования с нулями в направлении на источники помех с помощью подбора весовых коэффициентов

Для случая на прием должна быть сформирована система диаграмм, перекрывающая угловую площадь пространства, облученную станцией при работе на передачу. Число требуемых может достигать нескольких десятков при числе излучателей в ФАР от единиц до десятков тысяч. Схема ФАР, использование которой решает задачи адаптивного формирования системы приведена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. (см. скан) Схема решетки, формирующая систему независимо управляемых

В такой антенне принятый каждым излучателем 1 сигнал усиливается 2 и делится 3 на число частей каналов, равное числу формируемых диаграмм. В канале каждой диаграммы устанавливаются управляемые фазовращатель 4 и аттеньюатор 5, с помощью которых для каждой формируемой устанавливается оптимальный весовой коэффициент. Далее сигналы каналов, соответствующих каждой суммируются с помощью сумматоров 6. Для упомянутых выше параметров решетки такая схема при аналоговом формировании оказывается нереализуемой. Более проста для реализации схема, приведенная на рис. 6.3.

Рис. 6.3. (см. скан) Формирование связки ДН без дифракционных лепестков

В этой схеме сигнал от каждого излучателя после усилителя 2 и фазовращателя 3 делится 4 на число каналов, равное числу требуемых диаграмм. Сигналы от одноименных каналов каждого излучателя проходят неуправляемые фазовращатели и аттенюаторы 5 и суммируются, образуя систему Такая схема реализуема при небольшом числе излучателей

Для крупноапертурных РЛС нашла применение схема, приведенная на рис. 6 4.

Рис. 6.4. Схема антенны с примыкающими подрешетками

В этой схеме излучатели решетки разбиваются на группы (подре-шетки). Сигналы излучателей каждой подрешетки, прошедшие усилители и фазовращатели, суммируются, а после суммирования делятся на число частей, равное числу формируемых . В тракте каждой формируемой перед сумматором 6 устанавливаются неуправляемые фазовращатели и аттенюаторы 5, обеспечивающие требуемое положение в пространстве и форму диаграмм. В этом случае направление в пространстве максимума подрешеток определяют управляемые фазовращатели, а положение диаграмм решетки относительно максимума подрешетки - неуправляемые фазовращатели.

Диаграммы решетки, максимумы которых отклонены от направления максимума подрешеток, определяемого управляемыми фазовращателями, имеют дифракционные лепестки, которые могут быть существенно ослаблены при применении пересекающихся подрешеток [11, 12].

В пересекающихся подрешетках сигнал каждого излучателя используется одновременно для формирования нескольких подрешеток: для линейной антенны двух или более, для плоской — четырех или более. Схема линейной ФАР с пересекающимися подрешетками приведена на рис. 6.5.

В данной схеме линейной решетки эквивалентное число излучателей в каждой подрешетке равно четырем, а в формировании используется

Рис. 6.5. (см. скан) Схема антенны с пересекающимися подрешетками

восемь излучателей, что дает возможность сузить ДН подрешетки, увеличить крутизну ее склонов, снизить УБЛ и в результате снизить уровень дифракционных лепестков, используя, например, Дольф-Чебышевское распределение. Как показали расчеты [13] при этом существенно снижается и уровень бокового излучения не только по сравнению с антенной с примыкающими подрешетками, но и по сравнению с антенной без подрешеток.

Применение пересекающихся подрешеток приводит к усложнению ФАР и росту стоимости.

При аналоговом методе формирования ДН нельзя реализовать всех возможностей радиостанций с ФАР. Однако большие успехи в развитии радиоэлектронной промышленности и вычислительной техники, позволяющие перейти от аналогового к аналого-цифровому и полностью цифровому способам формирования ДН, дают возможность сделать это.