Устройство формирования диаграммы направленности цифровой фар

Предложено устройство формирования диаграммы направленности цифровой ФАР, содержащее ФАР, включающую в себя строки и столбцы, содержащие приемник и преобразователь, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит сумматоры строк и столбцов, умножители строк и столбцов, по два на каждую строку и столбец, сумматоры смещения луча строк по вертикали и сумматоры смещения луча столбцов по горизонтали, а в каждую строку и столбец введен сумматор. Введение сумматора в каждую строку и в каждый столбец позволяет сократить объем памяти ПЗУ, упростить операции умножения и сложения. Введение умножителей повышает точность определения координат цели. Введение сумматоров строк и столбцов позволяет сократить массогабаритные характеристики. Введение сумматоров смещения сигнала луча строк по вертикали и столбцов по горизонтали повышает точность определения координат цели.

Предлагаемое устройство относится к области радиолокации и может быть использовано в связных, гидролокационных, радиоастрономических, сейсмологических и ультразвуковых устройствах, где применяется цифровая фазированная антенная решетка (ФАР).

ФАР позволяет формировать остронаправленные диаграммы направленности (ДН) на прием с заданной ориентацией в двумерном пространстве зоны ответственности радиолокационной станции (РЛС).

Такое построение осуществляется путем перемножения сигналов от каждого излучателя на соответствующие комплексные коэффициенты с последующим сложением. Операция перемножения является сложной технической задачей, т.к. требует применения быстродействующих микросхем, что усложняет аппаратуру, снижает надежность и увеличивает стоимость ее.

При этом количество комплексных коэффициентов должно соответствовать всем возможным положением луча для заданного обзора и используемых несущих частот. В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) необходимо хранить коэффициенты индивидуально для каждого элемента ФАР.

Предлагаемое устройство используется в случаях, когда на прием требуется сформировать несколько лучей, отклоненных от основного (центрального) луча. Причем положение центрального луча на передачу, совпадает с центральным лучом на прием, и формируются они с использованием фазовращателей. Примером формирования лучей на прием может служить создание так называемой «розочки» - получение двух лучей, отклоненных от центрального луча по вертикали (выше и ниже центрального) и по горизонтали (справа и слева от центрального).

Для формирования «розочки» необходимо изменение фазового фронта сигнала, путем умножения сигналов центрального луча на комплексные коэффициенты для сдвига луча вправо, влево, вверх и вниз.

При формировании одного «лепестка розочки» существующим способом необходимо сигнал от каждого излучателя, соответствующий положению луча умножить на комплексный коэффициент, затем сложить сигналы всех излучателей. Например, для прямоугольной ФАР количество умножителей при формировании четырех лучей «розочки» равно 4L×М, где L и М - количество столбцов и строк ФАР.

Причем количество комплексных коэффициентов, которое необходимо хранить в ПЗУ, равно 4L×М×N, где N - количество используемых несущих частот. Изображение такого варианта показано на фиг.1.

При этом необходимое количество коэффициентов должны быть пропорционально числу операций перемножения в каждом элементе дальности, что является сложной технической задачей и требует высокой производительности от цифрового процессора, выполняющего эту функцию.

Известно устройство формирования ДН цифровой ФАР фирмы Simens, разработанное для многоканальной адаптивной ФАР «MESAR» (1).

В этом изделии цифровое формирование ДН осуществляется обработкой сигнала от каждого излучателя непосредственно в цифровом процессоре.

Такое устройство имеет следующие недостатки:

- необходимо применять сложный и дорогостоящий цифровой процессор;

- малая надежность;

- сложность наладки и обслуживания при эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемой функции является устройство формирования ДН цифровой ФАР, предложенное Бартоном (2), содержащее ФАР, включающее в себя строки и столбцы, которые содержат приемник и преобразователь. Структурная схема прототипа приведена на фиг.2.

Такое устройство имеет следующие недостатки:

- большой объем памяти для хранения весовых коэффициентов и значительное количество перемножителей, что увеличивает объем аппаратуры;

- сложность технической реализации;

- низкая надежность;

- высокая стоимость при изготовлении.

Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что оно содержит ФАР, включающую в себя строки и столбцы, каждый из которых содержит соединенные последовательно приемник и преобразователь. Отличается тем, что оно дополнительно содержит сумматоры строк и столбцов, умножители строк и столбцов, по два на каждую строку и на каждый столбец, сумматоры смещения луча строк при вертикали - «вверх», «вниз» и сумматоры смещения луча столбцов по горизонтали - «влево», «вправо», а в каждую строку и столбец ФАР введен сумматор. Один выход сумматора строки и столбца подключен соответственно к входу сумматора строк и к входу сумматора столбцов, другой - к общему входу двух умножителей соответственно строки и столбца, а второй вход каждого умножителя подключен к ПЗУ. Выходы умножителей строк подключены к входу сумматоров смещения луча строк по вертикали -«вверх», «вниз», а выходы умножителей столбцов подключены к входу сумматоров смещения луча столбцов по горизонтали - «влево», «вправо». Выходы сумматоров смещения луча по вертикали подключены к первому и второму входу блока обработки сигнала, а выходы сумматоров смещения луча по горизонтали подключены к пятому и шестому входу блока обработки сигнала. Выход сумматора строк подключен к третьему входу блока обработки сигнала, а выход сумматора столбцов - к четвертому входу блока обработки сигнала, который формирует «розочку».

Введение сумматора в каждую строку и в каждый столбец позволяет сократить объем памяти ПЗУ, упростить операции умножения и сложения, повысить надежность.

Введение умножителей повышает точность определения координат цели.

Введение сумматоров строк и столбцов позволяет сократить массогабаритные характеристики.

Введение сумматоров смещения сигнала луча строк по вертикали и столбцов по горизонтали повышает точность определения координат цели.

Сущность предлагаемого устройства поясняется структурной схемой, приведенной на фиг.3.

Предложенное устройство содержит фазированную антенную решетку 1, сумматоры строк 2 и столбцов 3, умножители строк 4 и столбцов 5, сумматоры смещения луча строк по вертикали - «вверх» 6, «вниз» 7, сумматоры смещения луча столбцов по горизонтали - «влево» 8, «вправо» 9, блок обработки сигнала 10, ПЗУ 11, излучатели 12.

Фазированная антенная решетка 1 содержит строки 13 и столбцы 14, которые включают в себя последовательно соединенные приемник 15, преобразователь 16, сумматор строки 17 и сумматор столбца 18.

Один выход сумматора строки 17 и сумматора столбца 18 подключен соответственно к входу сумматора строк 2 и сумматора столбцов 3.

Второй выход сумматора строки 17 и сумматора столбца 18 подключен соответственно к общему входу умножителей строк 4 и умножителей столбцов 5.

Второй вход умножителей строк 4 и умножителей столбцов 5 подключен к ПЗУ 11. Выходы умножителей строк 4 и столбцов 5 подключены соответственно к входам сумматоров смещения луча строк по вертикали 6, 7 и к входам сумматоров смещения луча столбцов по горизонтали 8, 9.

Выходы сумматоров смещения луча строк по вертикали 6 и 7 подключены к первому и второму входам блока обработки сигнала 10, а выходы сумматоров смещения луча столбцов по горизонтали 8 и 9 подключены к пятому и шестому входам блока обработки сигнала 10. При этом выход сумматора строк 2 подключен к третьему входу блока обработки сигнала 10, а выход сумматора столбцов 3 подключен к четвертому входу блока обработки сигнала 10.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Входные сигналы с каждого излучателя 12 проходят через приемное устройство 15, усиливаются, преобразуются в промежуточную частоту и

поступают на вход преобразователя 16, где преобразуются в цифровой сигнал. Цифровой сигнал поступает на соответствующий сумматор строки 17 и столбца 18. С выхода каждого сумматора строки 17 и столбца 18 сигналы поступают на сумматоры строк 2 и столбцов 3, где они суммируются и формируются два одинаковых центральных луча, сигналы которых с выхода сумматоров 2 и 3 поступают на третий и четвертый входы блока обработки сигнала 10.

Кроме того, сигналы с выхода каждого сумматора строки 17 поступают на общий вход двух умножителей каждой строки 4. В каждом из них к поступившим сигналам добавляются фазы с помощью соответствующих коэффициентов W строк, хранящихся в ПЗУ 11. В одном умножителе строки 4 формируется, путем смещения относительно центрального луча, верхний луч данной строки, а в другом умножителе строки 4 - нижний луч данной строки.

Сигналы с выхода каждого сумматора столбцы 18 поступают на общий вход двух умножителей каждого столбца 5. В каждом из них к поступившим сигналам добавляются фазы с помощью соответствующих коэффициентов W столбцов, хранящихся в ПЗУ 11. В одном умножителе столбцов 5 формируется, путем смещения относительно центрального луча, левый луч данного столбца, а в другом умножителе столбцов 5 - правый луч данного столбца.

При этом следует отметить, что количество выходных сигналов на выходе сумматора строки 17 и сумматора столбцов 18 равно количеству строк L и количеству столбцов М.

С выхода умножителя строки 4 верхние лучи строк поступают на вход сумматора 6, где они суммируются и образуют на выходе сумматора 6 верхний луч антенны, который поступает на первый вход блока обработки сигнала 10, с другого выхода умножителя строки 4 нижние лучи строк поступают на вход сумматора 7, где они суммируются и образуют на выходе сумматора 7 нижний луч антенны, который поступает на второй вход блока обработки сигнала 10.

Аналогично с выхода умножителя столбцов 5 левые лучи столбцов поступают на вход сумматора 8, где они суммируются и образуют на выходе сумматора 8 левый луч антенны, который поступает на пятый вход блока

обработки сигнала 10. С другого выхода умножителя столбца 5 правые лучи столбцов поступают на вход сумматора 9, где они суммируются и образуют на выходе сумматора 9 правый луч антенны, который поступает на шестой вход блока обработки сигнала 10.

Предлагаемое устройство сложения сигналов прошло экспериментальную проверку, показало хорошие результаты и рекомендовано к внедрению.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:

1. Alenia Elsaq Sistemi Navali, Rome Haly Marconi Radar and Contol Systems Ltd, Writell Raad Chelmstord.

2. P.Barton Diqital Beam Forminq for Radar JEE Droc vol.127, Pt, F №04, Auq 1980.

Устройство формирования диаграммы направленности цифровой фазированной антенной решетки, содержащее фазированную антенную решетку, включающую в себя строки и столбцы, содержащие приемник и преобразователь, отличающиеся тем, что оно дополнительно содержит сумматоры строк и столбцов, умножители строк и столбцов, по два на каждую строку и столбец, сумматоры смещения луча строк по вертикали и сумматоры смещения луча столбцов по горизонтали, а в каждую строку и столбец введен сумматор, один выход которого подключен соответственно к входу сумматора строк и сумматора столбцов, другой - к общему входу двух умножителей строки и столбца, а второй вход каждого умножителя подключен к постоянному запоминающему устройству, при этом выходы умножителей строки подключены к входу сумматоров смещения луча строк по вертикали, а выходы умножителей столбца подключены к входу сумматоров смещения луча столбцов по горизонтали, причем выходы сумматоров смещения луча строк по вертикали подключены к первому и второму входу блока обработки сигнала, выходы сумматоров смещения луча столбцов по горизонтали подключены к пятому и шестому входу блока обработки сигнала, при этом выход сумматора строк подключен к третьему входу блока обработки сигнала, а выход сумматора столбцов - к четвертому входу блока обработки сигнала.