Активная фазированная антенная решетка

Полезная модель относится к области антенной техники и может быть применена при разработке антенн, входящих в состав радиотехнических систем различного назначения, в частности размещенных на подвижных объектах. Техническим результатом является формирование амплитудно-фазового распределения в плоском раскрыве активной фазированной антенной решетки с произвольной формой границы по объемной диаграмме направленности с заданным законом огибающей боковых лепестков в главных сечениях. Активная фазированная антенная решетка содержит излучатели, образующие плоский раскрыв, последовательно включенные с излучателями согласующие цепи, усилители, аттенюаторы и фазовращатели, распределительное устройство, подключенное к фазовращателям, устройство управления лучом, устройство коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы, блок управления аттенюаторами, блок управления фазовращателями и блок питания. Устройство управления лучом выполнено в виде блока хранения наборов амплитудно-фазовых распределений, число которых равно необходимому числу положений луча в заданном секторе сканирования, для двух ортогональных линеек, выделенных из состава плоского раскрыва с произвольной формой границы и образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв, блока формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва и включенных между ними первого и второго блоков хранения амплитудно-фазовых распределений в ортогональных линейках, образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв. Число наборов амплитудно-фазовых распределений равно необходимому числу положений луча в заданном секторе сканирования. Количество излучателей в каждой из линеек равно максимальному значению в главных сечениях плоского раскрыва с произвольной формой границы. Устройство коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы состоит из блока вычисления объемной диаграммы направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва, имеющей заданный закон огибающей боковых лепестков в главных сечениях, блока хранения коэффициентов псевдообратной матрицы, подключенных к блоку решения системы линейных алгебраических уравнений, и блока выделения модуля и фазы комплексных чисел, установленного на выходе блока решения системы линейных алгебраических уравнений. Выходы блока формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва, являющиеся выходами устройства управления лучом, соединены с входами блока вычисления объемной диаграммы направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва, являющимися входами устройства коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы. Выходы блока выделения модуля и фазы комплексных чисел, являющиеся выходами устройства коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском плоском раскрыве с произвольной формой границы, соединены с соответствующими входами блока управления аттенюаторами и блока управления фазовращателями. Выходы блока управления аттенюаторами и блока управления фазовращателями подключены соответственно к входам управления аттенюаторов и фазовращателей.

Полезная модель относится к области антенной техники и может быть применена при разработке антенн, входящих в состав радиотехнических систем различного назначения, в частности, размещенных на подвижных объектах.

В последние годы широкое применение находят плоские фазированные антенные решетки, имеющие раскрыв с произвольной формой границы, что обусловлено ограничениями на поверхность установки антенн или необходимостью размещения раскрыва под обтекателем. Данные ограничения обусловлены, с одной стороны, требованиями обеспечения аэродинамических характеристик при установке на авиационной технике или, с другой стороны, необходимостью размещения раскрывов различных частот на ограниченном участке поверхности, выделенном для антенных систем, что имеет место при установке антенн на кораблях, автомобилях и т.п.

Известны фазированные антенные решетки, содержащие излучатели, согласующую систему, фазирующую систему, распределительное устройство и устройство управления. Как правило, фазированные антенные решетки состоят из идентичных излучателей, расположенных в узлах плоской координатной сетки с двойной периодичностью (см. например [Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высш. шк., 1988. - С.394-405]).

В случае раскрыва прямоугольной формы для управления амплитудно-фазовым распределением, как правило, используется строчно-столбцевой закон управления [Самойленко В.И., Шишов Ю.А. Управление фазированными антенными решетками. - М.: Радио и связь, 1983. С.59-64]. Однако в случае раскрывов с произвольной формой границы использование существующей схемы построения ФАР, реализующей строчно-столбцевой закон управления амплитудно-фазовым распределением, приводит к неточности установки главного луча, повышению уровня боковых лепестков.

Данные недостатки присущи фазированным антенным решеткам с любым типом излучателей, фазовращателей и аттенюаторов и связаны с отказом от учета формы раскрыва при использовании строчно-столбцевого закона управления амплитудно-фазовым распределением.

Известны активные фазированные антенные решетки, в которых наряду с элементами, имеющимися в фазированных антенных решетках, дополнительно введены активные элементы и управляемые аттенюаторы. Введение данных элементов дает возможность формировать обеспечивающие любой заданный уровень боковых лепестков амплитудно-фазовые распределения в плоском прямоугольном раскрыве, полученные не только на основе строчно-столбцевого закона распределения, но и в том числе при решении задач синтеза. Типовые схемы выполнены на основе совокупности приемо-передающих модулей, каждый из которых содержит излучатель, согласующий элемент, усилитель, аттенюатор и фазовращатель, распределительной системы СВЧ, устройства управления и источника питания. Кроме того, имеются элементы, обеспечивающие выполнение режимов приема-передачи [Синани А.И., Алексеев О.С., Винярский В.Ф. Активные ФАР. Концепция построения и опыт разработки. // Антенны, 2005, вып.2 (93). - С.64-68], [Синани А.И. Антенные системы с электронным управлением лучом для бортовых РЛС. // Антенны, 2008, вып.9 (136). - С.4-14].

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является активная фазированная антенная решетка, содержащая излучатели, образующие плоскую апертуру, систему формирования и управления положением луча активной фазированной антенной решетки, состоящую из усилителей, аттенюаторов, фазовращателей и согласующих цепей. Каждый излучатель последовательно соединен с согласующей цепью, усилителем, аттенюатором и фазовращателем, образуя один канал активной фазированной антенной решетки. Распределительное устройство обеспечивает распределение сигнала от одного источника по всем каналам (передающий вариант) или суммирование сигналов каналов на общий выход (приемный вариант). Управление системой формирования и управления положением луча производится с помощью устройства управления лучом и блоков управления аттенюаторами и фазовращателями [Активные фазированные антенные решетки. / Под редакцией Д.И.Воскресенского и А.И.Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004. - С.18-35]. Питание элементов производится, как и для выше рассмотренных схем, от блока питания.

Однако в прототипе не учтено влияние на суммарную диаграмму направленности формы излучающего раскрыва, что приводит к различию характеристик формируемой и заданной диаграмм направленности. Таким образом, прототип не может быть использован для формирования диаграммы направленности с заданными характеристиками в активной фазированной антенной решетке, имеющей плоский раскрыв с произвольной формой границы.

Заявляемая полезная модель направлена на обеспечение формирования амплитудно-фазового распределения в плоском раскрыве активной фазированной антенной решетки с произвольной формой границы по объемной диаграмме направленности с заданным законом огибающей боковых лепестков в главных сечениях.

Для достижения сформулированного технического результата в активную фазированную антенную решетку, содержащую излучатели, образующие плоский раскрыв, последовательно включенные с излучателями согласующие цепи, усилители, аттенюаторы и фазовращатели, распределительное устройство, устройство управления лучом, блок управления аттенюаторами, блок управления фазовращателями и блок питания, дополнительно введено устройство коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы, состоящее из блока вычисления объемной диаграммы направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва, имеющей заданный закон огибающей боковых лепестков в главных сечениях, блока хранения коэффициентов псевдообратной матрицы, блока решения системы линейных алгебраических уравнений и блока выделения модуля и фазы комплексных чисел. Устройство управления лучом выполнено в виде блока хранения наборов амплитудно-фазовых распределений, число которых равно необходимому числу положений луча в заданном секторе сканирования, для двух ортогональных линеек, выделенных из состава плоского раскрыва с произвольной формой границы и образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв, с количеством излучателей в каждой из них, равным максимальному значению в главных сечениях плоского раскрыва с произвольной формой границы, блока формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва и первого и второго блоков хранения амплитудно-фазовых распределений в ортогональных линейках, образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв. К выходам блока хранения набора амплитудно-фазовых распределений подключены первый и второй блоки хранения амплитудно-фазовых распределений в ортогональных линейках, образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв. Выходы первого и второго блоков хранения амплитудно-фазовых распределений в ортогональных линейках, образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв, электрически связаны с соответствующими входами блока формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва. Выходы блока формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва, являющиеся выходами устройства управления лучом, соединены с входами блока вычисления объемной диаграммы направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва, которые являются также входами устройства коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы. Выходы блока вычисления объемной диаграммы направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва и выходы блока хранения коэффициентов псевдообратной матрицы подключены соответственно к первым и вторым входам блока решения системы линейных алгебраических уравнений. Выходы блока решения системы линейных алгебраических уравнений подключены к входам блока выделения модуля и фазы комплексных чисел. Выходы блока выделения модуля и фазы комплексных чисел, являющиеся также выходами устройства коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы, соединены с соответствующими входами блоков управления аттенюаторами и фазовращателями.

Проведенный сравнительный анализ признаков заявленного устройства и устройства-прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что изменена совокупность существенных признаков:

введено устройство коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы, состоящее из блока вычисления объемной диаграммы направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва, блока хранения коэффициентов псевдообратной матрицы, блока решения системы линейных алгебраических уравнений и блока выделения модуля и фазы комплексных чисел;

изменена структура устройства управления лучом: оно выполнено в виде блока хранения наборов амплитудно-фазовых распределений, число которых равно необходимому числу положений луча в заданном секторе сканирования, для двух ортогональных линеек, выделенных из состава плоского раскрыва с произвольной формой границы и образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв, с количеством излучателей в каждой из них, равным максимальному значению в главных сечениях плоского раскрыва с произвольной формой границы, блока формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва и первого и второго блоков хранения амплитудно-фазовых распределений в ортогональных линейках, образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв, включенных между блоком хранения наборов амплитудно-фазовых распределений и блоком формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва, число наборов амплитудно-фазовых распределений для двух ортогональных линеек определяется числом положений луча в заданном секторе сканирования активной фазированной антенной решетки; количество излучателей в каждой из ортогональных линеек равно максимальным значениям излучателей в главных сечениях плоского раскрыва с произвольной формой границы;

изменена форма излучающего раскрыва при расчете электрических характеристик активной фазированной антенной решетки: введен эквивалентный прямоугольный раскрыв, образованный двумя ортогональными линейками, количество излучателей в каждой из ортогональных линеек выбрано равным максимальным значениям излучателей в главных сечениях плоского раскрыва с произвольной формой границы. Для эквивалентного прямоугольного раскрыва определяется диаграмма направленности в различных сечениях, с заданным законом огибающей боковых лепестков в главных сечениях;

изменены и введены новые связи: выходы устройства управления лучом, являющиеся одновременно и выходами блока формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва, соединены с входами устройства коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы, а именно: с входами блока вычисления объемной диаграммы направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва; выходы блока вычисления объемной диаграммы направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва и выходы блока хранения коэффициентов псевдообратной матрицы подключены соответственно к первым и вторым входам блока решения системы линейных алгебраических уравнений; выходы блока решения системы линейных алгебраических уравнений подключены к входам блока выделения модуля и фазы комплексных чисел, выходы блока выделения модуля и фазы комплексных чисел, являющиеся выходами устройства коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы, соединены с соответствующими входами блока управления аттенюаторами и блока управления фазовращателями.

Сочетание отличительных признаков предлагаемой полезной модели из литературы неизвестно, поэтому она соответствует критерию новизны.

На фигуре 1 изображена электрическая структурная схема активной фазированной антенной решетки.

На фигуре 2 приведена электрическая структурная схема устройства управления лучом.

На фигуре 3 изображена электрическая структурная схема устройства коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы.

На фигуре 4 схематически показаны плоский раскрыв с произвольной формой границы, эквивалентный прямоугольный раскрыв и ортогональные линейки, образующие эквивалентный прямоугольный раскрыв.

На фигуре 5-10 приведены результаты численных исследований, подтверждающих возможность реализации предложенной активной фазированной антенной решетки.

Активная фазированная антенная решетка содержит N излучателей 1, образующих плоский раскрыв с произвольной формой границы, последовательно включенные с излучателями согласующие цепи 2, усилители 3, аттенюаторы 4 и фазовращатели 5. Выходы фазовращателей подключены к входам распределительного устройства 6. Входы управления аттенюаторов 4 и фазовращателей 5 соединены соответственно с выходами блока 7 управления аттенюаторами и блока 8 управления фазовращателями. Питание всех блоков и устройств производится с помощью блока 9 питания. Линии, посредством которых подводится электроэнергия, на фигуре 1 не показаны, так как они практически не отличаются от подобных соединений в устройстве-прототипе и аналогах. Устройство 10 управления лучом соединено с входами блока 7 управления аттенюаторами и блока 8 управления фазовращателями через устройство 11 коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы.

Не показаны элементы и связи, с помощью которых обеспечивается синхронизация работы блоков и устройств активной фазированной антенной решетки, так как их введение существенно затруднит понимание. В то же время следует заметить, что эти элементы и их связи практически не отличаются от выполнения подобных в устройствах-аналогах.

Устройство 10 управления лучом (фигура 2) содержит блок 12 хранения наборов амплитудно-фазовых распределений, первый 13 и второй 14 блоки хранения амплитудно-фазовых распределений в ортогональных линейках, образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв, и блок 15 формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва. К выходам блока 12 хранения наборов амплитудно-фазовых распределений подключены первый 13 и второй 14 блоки хранения амплитудно-фазовых распределений в ортогональных линейках, образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв. Выходы первого 13 и второго 14 блоков хранения амплитудно-фазовых распределений в ортогональных линейках электрически связаны с соответствующими входами блока 15 формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва. Выходы блока формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва являются выходами устройства управления лучом.

Устройство 11 коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы (фигура 3) состоит из блока 16 вычисления объемной диаграммы направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва, блока 17 хранения коэффициентов псевдообратной матрицы, блока 18 решения системы линейных алгебраических уравнений и блока 19 выделения модуля и фазы комплексных чисел. Входы блока 16 вычисления объемной диаграммы направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва, являющиеся также входами устройства коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы, подключены к выходам блока 15 формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва, являющихся также выходами устройства управления. Выходы блока 16 вычисления объемной диаграммы направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва и выходы блока 17 хранения коэффициентов псевдообратной матрицы подключены соответственно к первым и вторым входам блока 18 решения системы линейных алгебраических уравнений. Выходы блока решения системы линейных алгебраических уравнений подключены к входам блока 19 выделения модуля и фазы комплексных чисел. Выходы блока выделения модуля и фазы комплексных чисел, являющиеся выходами устройства коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы, соединены с соответствующими входами блока 7 управления аттенюаторами и блока 8 управления фазовращателями.

На фигуре 4 схематически показаны плоский раскрыв 1 с произвольной формой границы и плоский раскрыв 2 с эквивалентным прямоугольным контуром, а также ортогональные линейки 3 и 4, образующие эквивалентный прямоугольный раскрыв.

Прежде чем рассмотреть функционирование предлагаемой активной фазированной антенной решетки, проведем теоретическое обоснование метода, который реализован в полезной модели.

Основной задачей, которую необходимо решить, это наиболее точно сформировать объемную диаграмму направленности с заданными законами огибающей боковых лепестков в главных сечениях. В качестве такой диаграммы направленности рассмотрим диаграмму направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва, амплитудно-фазовое распределение в котором обеспечивает заданный закон огибающей боковых лепестков в главных сечениях. Назовем эту диаграмму направленности прямоугольного раскрыва вспомогательной.

Решение задачи синтеза для плоского раскрыва с произвольной формой границы, содержащего N излучателей, при использовании вспомогательной диаграммы позволит реализовать в главных плоскостях близкий к заданному закон огибающей боковых лепестков в главных сечениях и более низкий уровень боковых лепестков в промежуточных азимутальных сечениях. Обеспечение такого поведения боковых лепестков достигается путем наложения требований на формируемую диаграмму направленности не в двух, а в большем числе сечений.

В качестве вспомогательной диаграммы направленности выбрана диаграмма направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва, сформированного на основе выбранных из плоского раскрыва активной фазированной антенной решетки с произвольной формой границы двух ортогональных линеек с максимальным числом излучателей в главных сечениях. Такой выбор определяется наиболее простой и хорошо исследованной взаимосвязью параметров амплитудно-фазового распределения с характеристиками диаграммы направленности и, в частности с поведением огибающей боковых лепестков [Волошин В.А., Ларин А.Ю., Оводов О.В. Алгоритм синтеза линейных антенных решеток по заданной огибающей боковых лепестков диаграммы направленности // Антенны. 2011. 12. С.3-8.].

При данном подходе к решению задачи синтеза на первом этапе по заданным положению главного лепестка и законам огибающей боковых лепестков в главных плоскостях заданной диаграммы направленности в блоке хранения наборов амплитудно-фазовых распределений выбираются амплитудно-фазовые распределения , n=1,,N_x, , m=1,,N_y для двух взаимно ортогональных линеек, образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв. В качестве линеек, как сказано выше, используются линейные антенные решетки максимальной длины, которые могут быть выделены в составе рассматриваемого плоского раскрыва с произвольной формой границы.

На основе выбранных амплитудно-фазовых распределений в указанных ортогональных линейках формируется амплитудно-фазовое распределение в раскрыве прямоугольной формы, содержащем N_x×N_y излучателей, и далее находится вспомогательная диаграмма направленности F_всп(,), имеющая в главных плоскостях заданный закон огибающей боковых лепестков.

С учетом сказанного вспомогательная диаграмма направленности определяется как диаграмма направленности, формируемая эквивалентным прямоугольным раскрывом, амплитудно-фазовое распределение в котором задается в виде

Соответственно вспомогательная диаграмма направленности F(,) определяется выражением

где µ_mn(,) - ДН, излучателя, стоящего на пересечении m-й строки и n-го столбца, и имеет заданные параметры (заданный закон огибающей боковых лепестков в главных плоскостях и требуемое значение коэффициента направленного действия).

Запишем диаграмму направленности активной фазированной антенной решетки с плоским N-элементным раскрывом, имеющим произвольную форму границы, в виде:

где µ_n(,) - ДН n-го излучателя в составе излучающего раскрыва с произвольной формой границы.

Для нахождения амплитудно-фазового распределения J_n в таком раскрыве потребуем совпадения синтезируемой диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки и вспомогательной диаграммы направленности в Р направлениях

В матричной форме условие (4) может быть представлено следующим образом

Элементы матрицы системы (5) определяются соотношениями

t_pn=µ_n (_p,_p), р=1,,Р, n=1,,N.

где µ_n(_p,_p) - диаграмма направленности n-го излучателя в направлении, определяемом углами _p, _р, элементами вектора-столбца |J являются неизвестные токи в излучателях активной фазированной антенной решетки, а элементами вектора-столбца |F - значения F_всп(_р,_р), р=1,,Р.

При выполнении условия Р>>N получаемое решение системы (5) дает наилучшее приближенное решение по методу наименьших квадратов [Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука. 1967. 575 с.]. Поскольку ранг матрицы Т равен N, решение задачи амплитудно-фазового синтеза активной фазированной антенной решетки при этом может быть найдено в виде [Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука. 1967. 575 с.]

где [T]⁺ - псевдообратная матрица для матрицы [T], определяемая выражением [Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука. 1967. 575 с.]

В выражении (7) Т^* - матрица, транспонированная и комплексно-сопряженная по отношению к Т.

В частном случае при условии P=N получаем [T] ⁺=T^-1, и решение (6) принимает вид

Получаемое в (6) решение обеспечивает минимальное отклонение синтезируемой диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки с плоским раскрывом, имеющим произвольную форму границы, от вспомогательной диаграммы направленности, в среднеквадратическом смысле.

Устройство функционирует следующим образом.

На первом этапе в соответствии с алгоритмом функционирования производится ввод исходных данных. К ним относятся направления формирования максимума диаграммы направленности F₀ (,) активной фазированной антенной решетки и заданный закон изменения огибающей уровня боковых лепестков. Указанные данные преобразуются в цифровой код, например, с помощью аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав блока 12 хранения наборов амплитудно-фазовых распределений. По поступающим командам из него выбираются соответствующие амплитудно-фазовые распределения , n=1,,N_x, , m=1,,N_y для двух взаимно ортогональных линеек, выбранных из состава плоского раскрыва с произвольной формой границы и образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв, и записываются в первый 13 и второй 14 блоки хранения амплитудно-фазовых распределений в ортогональных линейках. С выходов первого и второго блоков хранения амплитудно-фазовых распределений в ортогональных линейках коды, соответствующие двум выбранным амплитудно-фазовым распределениям, поступают на входы блока 15 формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва, где в соответствии с выражением (1) вычисляется амплитудно-фазовое распределение A_mn эквивалентного плоского раскрыва. На основе полученных результатов расчета, поступающих на входы блока 16 вычисления объемной диаграммы направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва, находится вспомогательная диаграмма направленности F_всп(,), определяемая с использованием выражения (2), в Р направлениях. Как сказано выше, она имеет заданные параметры (заданный закон огибающей боковых лепестков в главных плоскостях и требуемое значение коэффициента направленного действия). Сигналы, соответствующие значениям вспомогательной диаграммы направленности в Р направлениях, поступают на первые входы блока 18 решения системы линейных алгебраических уравнений. На вторые входы блока решения системы линейных алгебраических уравнений из блока 17 хранения коэффициентов псевдообратной матрицы, найденных предварительно с использованием выражения (5) и записанных в память блока 17, поступают сигналы, соответствующие коэффициентам псевдообратной матрицы. В блоке 18 находится в виде (6) решение задачи амплитудно-фазового синтеза активной фазированной антенной решетки, имеющей плоский раскрыв с произвольной формой границы. Оно обеспечивает минимальное отклонение синтезируемой диаграммы направленности от вспомогательной диаграммы направленности в среднеквадратическом смысле. Сигналы на выходах блока 18, соответствующие значениям полей возбуждения в каналах активной фазированной антенной решетки, имеющей плоский раскрыв с произвольной формой границы, поступают на входы блока 19 выделения модуля и фазы комплексных чисел, в котором выполняется процедура выделения действительных и мнимых составляющих полей возбуждения, определение модуля и фазы указанных полей и формирование управляющих воздействий. Сигналы, соответствующие модулям полей возбуждения, поступают на входы блоков 7 управления аттенюаторами, а сигналы, соответствующие фазам полей возбуждения, - на входы блока 8 управления фазовращателями.

Тем самым обеспечивается формирование диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки, имеющей плоский раскрыв с произвольной формой границы, в требуемом направлении при заданных параметрах (заданном законе огибающей боковых лепестков в главных плоскостях и требуемом значении коэффициента направленного действия).

Рассмотрим результаты численных исследований, подтверждающие факт достижения поставленной задачи.

Исследовалась точность формирования диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки, имеющей плоский раскрыв с произвольной формой границы, по отношению к вспомогательной диаграмме направленности и определялось значение коэффициента направленного действия для раскрыва с различной формой границы. При этом дополнительно анализировалась величина снижения коэффициента направленного действия по отношению к раскрыву прямоугольной формы, в который вписан заданный раскрыв.

Исследования проводились для 384-элементного раскрыва, геометрия которого показана на фигуре 4. При проведении исследований рассматривалась взаимосвязь числа направлений Р и соответствия уровня боковых лепестков формируемой диаграммы направленности заданному закону изменения огибающей. Вспомогательная диаграмма направленности формировалась с использованием 480-элементного (40×12) прямоугольного раскрыва. Шаг размещения излучателей как в излучающем раскрыве, приведенном на фигуре 4, так и в раскрыве, используемом для формирования заданной диаграммы направленности, вдоль обеих осей выбирался равным 0.5. Направления, в которых накладывались требования совпадения вспомогательной и синтезируемой диаграмм направленности, выбирались равномерно по углам _p, _р в верхнем полупространстве.

На первом этапе исследований анализировалось влияние числа направлений Р, в которых накладывается условие F₀(_р,_р)=F_всп(_р,_р) на формирование диаграммы направленности с требуемым законом изменения уровня боковых лепестков в главных плоскостях. Указанные направления равномерно выбирались по углу места и углу азимута с одинаковым шагом в пределах полусферы. Исследования проведены при соотношениях Р=N, Р=4N и Р=6N соответственно. Рассматривались следующие случаи:

- случай формирования ДН с главным максимумом в направлении нормали к плоскости раскрыва и огибающей линейно уменьшающейся в сечении =0° (вдоль большей стороны раскрыва) от -40 дБ до -25 дБ и от -50 дБ до -30 дБ (по разные стороны от главного максимума), а в сечении =90° (вдоль меньшей стороны раскрыва) - симметрично по отношению к главному максимуму от -38 дБ до -15 дБ;

- случай формирования ДН с главным максимумом, отклоненным от направления нормали к плоскости раскрыва на угол 30° в плоскости =0°, и огибающей линейно уменьшающейся в сечении =0° от -60 дБ до -30 дБ и от -45 дБ до -25 дБ (по разные стороны от главного максимума), а в сечении =90° - симметрично по отношению к главному максимуму от -38 дБ до -15 дБ.

Из полученных данных следует, что в случае P=N решение задачи амплитудно-фазового синтеза не имеет практического значения, поскольку наблюдается значительное превышение уровня боковых лепестков над заданным уровнем. При выполнении условия P=4N получаемое решение практически сходится. При дальнейшем увеличении Р до значения Р=6N уровень боковых лепестков в формируемых диаграммах направленности не превышает заданный. Использование других вариантов выбора направлений, в которых накладывается условие совпадения заданной и синтезируемой диаграмм направленности, практически не приводит к изменению результатов.

Данный вывод остается справедливым и при рассмотрении случаев формирования диаграмм направленности, огибающие уровней боковых лепестков которых определяются другими параметрами. Таким образом, в дальнейшем решение задачи синтеза проводится при условии Р=4N.

В таблице 1 приведены данные, характеризующие коэффициент направленного действия активной фазированной антенной решетки (АФАР) с эквивалентным прямоугольным раскрывом, коэффициент направленного действия активной фазированной антенной решетки с синтезированной диаграммой направленности (ДН) и коэффициент направленного действия активной фазированной антенной решетки, возбужденной амплитудно-фазовым распределением (АФР), вычисленным по формуле (1). Представленные данные соответствуют первому и второму случаю синтеза ДН, отмеченным выше.

Результаты синтеза диаграммы направленности для 384-элементного раскрыва (максимальная длина линеек вдоль осей Ох и Oy соответственно составляла N_x=40 и N_y=12 элементов) приведены на фигурах 5-10, где соответственно показаны сечения диаграмм направленности в плоскостях =0°, =45° и =90° для неотклоненного луча (фигуры 5-7) и сечения диаграмм направленности для =0°, =45° и =90° при отклонении луча от нормали к раскрыву вдоль большей стороны раскрыва на 30° (фигуры 8-10). При этом на фигурах 5-10 показаны сплошной линией синтезированная и пунктирной линией вспомогательная диаграммы направленности.

Как следует из представленных результатов на фигурах 5-10 и в таблице 1, уровень боковых лепестков синтезированной в главных плоскостях практически ниже заданного для всех рассмотренных вариантов огибающей. В диагональном сечении уровень боковых лепестков также не превосходит заданных для главных сечений уровней. При этом снижение коэффициента направленного действия составляет 0,68 дБ для неотклоненного луча и 0.48 дБ при отклонении луча на 30°.

Таким образом, для рассмотренной активной фазированной антенной решетки обеспечивается наиболее точное формирование объемной диаграммы направленности с заданными законами изменения огибающей боковых лепестков не только в главных, но и промежуточных сечениях. При этом возникающее снижение коэффициента направленного действия значительно меньше по сравнению с уменьшением площади раскрыва антенны.

Реализация введенных блоков и узлов не вызывает затруднений и может быть произведена с использованием современной базы, описанной например в [Антенны, 2005, вып.2(93), с.48-50; с.64-75].

Так устройство управления лучом, выполняющее кроме указанных выше функций хранения, выборки соответствующих различным законам огибающей боковых лепестков амплитудно-фазовых распределений в ортогональных линейках и определения амплитудно-фазового распределения в эквивалентном раскрыве также формирование синхроимпульсов, управление логикой работы активной фазированной антенной решетки в различных режимах, может быть реализовано с использованием микроконтроллера, программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) и микросхем Flash памяти. Информация в ПЛИС и Flash память загружается на стадии разработки и испытаний.

Устройство коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы может быть выполнено с использованием программно - логических матриц, микроконтроллера, программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) и микросхем Flash памяти.

В устройстве управления лучом антенной решетки также может быть использован PIC контроллер с встроенными аналого-цифровыми преобразователями. Такой PIC контроллер содержит в своем составе оперативную память, постоянную память, арифметике - логическое устройство с регистрами и тактовый генератор.

Из приведенного выше материала следует, что введенные устройство и блоки состоят из стандартных узлов и блоков, реализация которых описана в известной литературе, а сама полезная модель является промышленно применимой.

Таким образом, получаемый технический результат, достигаемый в результате введения в активную фазированную антенную решетку устройства коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы, изменения структуры устройства управления лучом, изменения формы излучающего раскрыва при расчете электрических характеристик активной фазированной антенной решетки и изменения в связи с этим связей между блоками и устройствами, а также введения новых связей, заключается в обеспечении формирования амплитудно-фазового распределения в плоском раскрыве активной фазированной антенной решетки с произвольной формой границы по объемной диаграмме направленности с заданным законом огибающей боковых лепестков в главных сечениях.

Активная фазированная антенная решетка, содержащая излучатели, образующие плоский раскрыв, последовательно включенные с излучателями согласующие цепи, усилители, аттенюаторы и фазовращатели, распределительное устройство, устройство управления лучом, блок управления аттенюаторами, блок управления фазовращателями и блок питания, отличающаяся тем, что дополнительно введено устройство коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы, состоящее из блока вычисления объемной диаграммы направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва, имеющей заданный закон огибающей боковых лепестков в главных сечениях, блока хранения коэффициентов псевдообратной матрицы, блока решения системы линейных алгебраических уравнений и блока выделения модуля и фазы комплексных чисел, устройство управления лучом выполнено в виде блока хранения наборов амплитудно-фазовых распределений, число которых равно необходимому числу положений луча в заданном секторе сканирования, для двух ортогональных линеек, выделенных из состава плоского раскрыва с произвольной формой границы и образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв, с количеством излучателей в каждой из них, равным максимальному значению в главных сечениях плоского раскрыва с произвольной формой границы, блока формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва и первого и второго блоков хранения амплитудно-фазовых распределений в ортогональных линейках, образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв, причем к выходу блока хранения набора амплитудно-фазовых распределений подключены первый и второй блоки хранения амплитудно-фазовых распределений в ортогональных линейках, образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв, выходы первого и второго блоков хранения амплитудно-фазовых распределений в ортогональных линейках, образующих эквивалентный прямоугольный раскрыв, электрически связаны с соответствующими входами блока формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва, выходы блока формирования амплитудно-фазового распределения эквивалентного прямоугольного раскрыва, являющиеся выходами устройства управления лучом, соединены с входами блока вычисления объемной диаграммы направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва, являющимися входами устройства коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы, выходы блока вычисления объемной диаграммы направленности эквивалентного прямоугольного раскрыва и выходы блока хранения коэффициентов псевдообратной матрицы подключены соответственно к первым и вторым входам блока решения системы линейных алгебраических уравнений, выходы блока решения системы линейных алгебраических уравнений подключены к входам блока выделения модуля и фазы комплексных чисел, выходы блока выделения модуля и фазы комплексных чисел, являющиеся выходами устройства коррекции амплитудно-фазового распределения на плоском раскрыве с произвольной формой границы, соединены с соответствующими входами блока управления аттенюаторами и блока управления фазовращателями.