Способ формирования двухлепестковых комплексных диаграмм направленности решеток с бинарным фазированием

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для регулировки разности фаз двухлепестковых диаграмм направленности (ДН) с независимым сканированием каждого из лепестков (лучей). Техническим результатом является регулирование разности фаз двух главных лепестков при приеме волн одного источника в условиях многолучевого распространения. Технический результат заключается в том, что в известном способе формирования двухлепестковых комплексных диаграмм направленности решеток с бинарным фазированием, основанным на установке в канале каждого излучателя фазового сдвига, равного сумме двух дискретных фаз, одна из которых соответствует бинарному, т.е. с дискретом π, квантованию фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ', а вторая - квантованию с более мелким шагом фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ", причем для независимого наведения первого и второго главных лепестков в направления θ₁ и θ₂ углы θ' и θ" выбирают в соответствии с соотношениями θ'=arccos[(cosθ₁-cosθ₂)/2], θ"=arccos[(cosθ₁+cosθ₂)/2]. Однако при установке в n-м излучателе фазовых сдвигов, соответствующих каждому из двух линейных распределений, к номерам излучателей добавляют общую для каждого из распределений величину b1 или b2, не обязательно целую: Ψ1_n=k(n+b1)dcosθ', Ψ2_n=k(n+b2)cosθ", где k - постоянная распространения, d - шаг решетки, а при дискретизации этих фазовых сдвигов используют константы округления δ1 и δ2 соответственно, причем, применяя один из известных методов поиска экстремума, от метода простого перебора до метода дискретного программирования, подбирают величины b1, b2, δ1, δ2, обеспечивающие с приемлемой точностью требуемую разность значений фазовой диаграммы в направлениях максимумов главных лепестков. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для регулировки разности фаз двухлепестковых диаграмм направленности (ДН) с независимым сканированием каждого из лепестков (лучей) при бинарном фазировании.

Известен способ формирования двух независимо ориентированных лепестков в диаграмме направленности фазированной антенной решетки, основанный на дискретизации фазовых сдвигов в каналах излучателей при бинарном фазировании [1].

Существо известного способа (применительно к N-элементной линейной ФАР, расположенной вдоль оси z с шагом d) заключается в следующем. Сигнал передатчика распределяют в равных долях или в ином соотношении между каналами излучателей, в n-м из которых (n=0, 1.. N-1) фазовый сдвиг устанавливают равным сумме двух дискретных фаз, одна из которых соответствует бинарному, т.е. с дискретом π, квантованию фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ',

а вторая - квантованию с более мелким шагом Δ фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ"

причем для независимого наведения первого и второго главных лепестков в направления θ₁ и θ₂ углы θ' и θ" выбирают в соответствии с соотношениями

В выражениях (1) и (2) приняты обозначения:

δ - константа округления (обычно δ=0.5),

k=2·π/λ - постоянная распространения,

λ - длина волны,

Ent(x) - целая часть числа х.

Угол θ отсчитывается от оси ФАР.

При таком фазировании диаграмма направленности ФАР имеет два главных лепестка, максимумы которых ориентированы примерно в направлениях θ₁ и θ₂.

Недостаток упомянутого способа заключается в том, что при таком фазировании нельзя регулировать разность значений фазовых диаграмм в направлениях максимумов двух главных лепестков, ориентированных в произвольных направлениях. В то же время в ряде случаев, например, в условиях приема радиоволн одного источника при многолучевом распространении возможность оперативного изменения разности значений фазовых диаграмм независимо ориентируемых лучей обеспечивает эффективное сложение сигналов, что улучшает качественные показатели систем.

Предлагаемый способ направлен на устранение упомянутого недостатка. На фиг.1 представлена амплитудная диаграмма направленности линейной ФАР с двумя независимо ориентированными главными лепестками в соответствии с прототипом. На фиг.2 представлена амплитудная диаграмма направленности линейной ФАР, формирующей в соответствии с предлагаемым способом два независимо ориентированных главных лепестка с регулируемой разностью значений фазовых диаграмм.

Рассмотрим существо предлагаемого способа. Как и в прототипе, сигнал передатчика распределяют между каналами излучателей, в n-м из которых фазовый сдвиг устанавливают равным сумме двух дискретных фаз, одна из которых соответствует бинарному, т.е. с дискретом π, квантованию фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ', а вторая - квантованию с более мелким шагом Δ фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ", причем для независимого наведения первого и второго главных лепестков в направления θ₁ и θ₂ углы θ' и θ" выбирают в соответствии с соотношениями (3), (4).

Однако при установке фазовых сдвигов, соответствующих каждому из двух дискретных распределений, изменяют номера излучателей на общую для каждого из распределений величину, не обязательно целую, и варьируют величинами соответствующих констант округления, добиваясь требуемой разности значений фазовой диаграммы в направлениях максимумов главных лепестков.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявленный и известный способы отличаются тем, что изменены условия выполнения операции дискретизации фаз в каналах излучателей, поскольку при установке фазовых сдвигов, соответствующих каждому из двух дискретных распределений, изменяют номера излучателей на общую для каждого из распределений величину, не обязательно целую, и варьируют величинами соответствующих констант округления, добиваясь требуемой разности значений фазовой диаграммы в направлениях максимумов главных лепестков.

Рассмотрим предлагаемый способ на примере линейной ФАР изотропных излучателей. Возможность получения требуемой разности фаз между двумя главными лепестками ДН ФАР основана на изменении номеров излучателей на общую для каждого из распределений величину (подставку), не обязательно целую, и варьировании величинами соответствующих констант округления.

Фазовый сдвиг, соответствующий сумме двух фазовых сдвигов: бинарного сдвига с дискретом π, обеспечивающего формирование двух лепестков, разнесенных в пространстве на требуемый угол, и фазового сдвига с более мелким (например π/4) дискретом, обеспечивающего совместный разворот пары лучей, может быть представлен в следующем виде:

где b1, b2 - величины подставок, прибавляемые к номерам излучателей, не обязательно целые;

δ1, δ2 - константы округления,

k - постоянная распространения

На фиг.1 представлена амплитудная диаграмма направленности линейной ФАР (прототипа) при N=20, d=0.5λ, θ₁=40°, θ₂=120°, b1=0, b2=0, δ1=0.5, δ2=0.5, рассчитанная по формуле

Из фиг.1 следует, что в ДН сформировались два главных лепестка, ориентированных в заданных направлениях. Уровни главных лепестков в направлениях θ₁=40 град и θ₂=120 град равны 1.0 и 0,9 соответственно, разница значений фазовых диаграмм в направлениях главных лепестков равна argF(40°)-argF(120°)=5.4 град.

На фиг.2 представлена амплитудная диаграмма направленности линейной ФАР, рассчитанная по формуле (8) с теми же числом излучателей, шагом решетки, направлениями излучения, но с измененными коэффициентами b1=1.62, b2=0.81, δ1=0.721, δ2=0.661. Уровни главных лепестков диаграммы направленности в направлениях θ₁=40 град и θ₂=120 град равны 1.0 и 0.98 соответственно, разница значений фазовых диаграмм в направлениях главных лепестков равна argF(40°)-argF(120°))=58.2 град. Из сопоставления двух диаграмм направленности линейной ФАР, изображенных на фиг.1 и 2, следует, что изменение разности значений фазовых диаграмм в направлениях главных лепестков в соответствии с предлагаемым способом достигнуто без существенного изменения формы амплитудной диаграммы направленности.

Из фиг.1 и 2 следует, что изменение условий выполнения операции дискретизации фаз в каналах излучателей, заключающееся в том, что при установке фазовых сдвигов, соответствующих каждому из двух дискретных распределений, изменяют номера излучателей на общую для каждого из распределений величину, не обязательно целую, и варьируют величинами соответствующих констант округления, дает возможность регулировать разность значений фазовой диаграммы в направлениях максимумов главных лепестков.

Определение величин подставок b1, b2 и констант округления δ1, δ2, обеспечивающих требуемую разность значений фазовой диаграммы в направлениях максимумов формируемых лучей, может производиться различными методами (методами математического программирования, в частности дискретного программирования, а также иными методами).

Рассмотрим самый простой из них - метод простого перебора, который легко реализуется с помощью ЭВМ. Для его реализации может быть предложен следующий алгоритм. Допустим, что требуется получить разность фазовых диаграмм в направлениях максимумов лучей β градусов с точностью ±Δβ. Тогда следует:

а) сформировать J комбинаций параметров величин b1_j, b2_j, δ1_j, δ2_j:

где h1, h2, k1, k2 - величины дискретовов; j∈1...J.

б) для каждого варианта рассчитать фазовый сдвиг, соответствующий сумме двух дискретных фаз: одна из которых соответствует бинарному, т.е. с дискретом π, квантованию фазового сдвига, обеспечивающего формирование двух лепестков, разнесенных в пространстве на требуемый угол, а вторая - квантованию с более мелким (например π/4) дискретом фазового сдвига, обеспечивающего совместный разворот пары лучей:

где

в) Рассчитать соответствующие им J значений разности фазовых диаграмм в направлениях максимумов лучей:

где

г) Извлечь из полученного массива те I вариантов, для которых выполняются неравенства

д) Рассчитать по формуле (17) I значений диаграммы направленности, а также соответствующие им значения КНД в направлениях максимумов лучей и суммарный КНД (сумму КНД в направлениях максимумов лучей).

е) Используя операцию сортировки, выбрать тот вариант, в котором суммарный КНД максимален при допустимой разнице КНД в направлениях максимумов лучей.

В качестве примера в таблице приведен набор значений разности фазовых диаграмм в направлениях максимумов лучей для θ₁=40° и θ₂=120°. Эти значения перекрывают диапазон от -180° до 180° с дискретом около 18°. В таблице также приведены соответствующие значения подставок b1, b2 и констант округления δ1, δ2, КНД в каждом из лучей и суммарного КНД.

Таким образом, изменение режима операции взвешивания, заключающееся в том, что при установке фазовых сдвигов, соответствующих каждому из двух дискретных распределений, изменяют номера излучателей на общую для каждого из распределений величину, не обязательно целую, и варьируют величинами соответствующих констант округления, обеспечивает возможность регулировки разности значений фазовой диаграммы в направлениях максимумов главных лепестков.

Возможность же оперативного изменения разности значений фазовых диаграмм независимо ориентируемых лучей обеспечивает эффективное сложение сигналов, например, в условиях приема радиоволн одного источника при многолучевом распространении, что улучшает качественные показатели систем.

Таблица
argF(40°)-argF(120°), град	b1	b2	δ1	δ2	КНД2	КНД1	КНДΣ
-175.36	3.234	1.617	0.058	0.177	6.99	7.08	14.08
-156.47	0.948	0.474	0.63	0.595	7.86	6.44	14.29
-138.42	0.828	0.414	0.613	0.583	7.74	6.96	14.69
-119.95	0.732	0.366	0.6	0.573	7.34	7.54	14.88
-101.23	0.636	0.318	0.587	0.564	8.19	7.15	15.34
-82.82	0.54	0.27	0.574	0.554	8.53	7.06	15.59
-65.07	2.484	1.242	0.839	0.748	7.08	8.91	15.99
-48.08	0.342	0.171	0.547	0.534	9.34	6.94	16.28
-30.29	0.156	0.078	0.521	0.516	7.91	8.23	16.14
-12.66	0.066	0.033	0.50902	0.5066	7.34	8.96	16.29
5.40	0	0	0.5	0.5	7.34	8.87	16.21
21.96	1.89	0.945	0.758	0.563	7.79	8.39	16.18
40.04	1.794	0.897	0.745	0.56	7.65	8.37	16.02
58.22	1.62	0.81	0.721	0.661	7.74	8.40	16.14
75.16	0.549	2.745	0.05	0.166	8.19	7.82	16.01
93.55	3.498	1.749	0.978	0.85	7.74	7.82	15.56
110.95	3.318	1.659	0.953	0.832	7.86	7.49	15.35
128.86	3.294	1.647	0.95	0.829	6.99	7.93	14.92
147.07	3.216	1.608	0.94	0.822	6.33	8.43	14.76
165.76	3.03	1.515	0.914	0.803	6.48	7.80	14.28
185.02	3	1.5	0.91	0.8	6.54	7.54	14.08

Источники информации

1. Патент РФ №2258984. Способ формирования двух независимо ориентируемых лепестков в диаграмме направленности фазированной антенной решетки / Б.Д.Мануилов, Ю.Д.Безуглов, Д.И.Костенко // Открытия, изобретения. - Бюл. №23, 20.08.2005.

Способ формирования двухлепестковых комплексных диаграмм направленности решеток с бинарным фазированием, при котором фазовый сдвиг в канале каждого излучателя устанавливают равным сумме двух дискретных фаз, одна из которых соответствует бинарному, т.е. с дискретом π, квантованию фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ', а вторая - квантованию с более мелким шагом фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол θ", причем для независимого наведения первого и второго главных лепестков в направления θ₁ и θ₂ углы θ' и θ" выбирают в соответствии с соотношениями

θ'=arccos[(cosθ₁-cosθ₂)/2],

θ"=arccos[(cosθ₁+cosθ₂)/2],

отличающийся тем, что при установке в n-м излучателе фазовых сдвигов, соответствующих каждому из двух линейных распределений, к номерам излучателей добавляют общую для каждого из распределений величину b1 или b2, необязательно целую

Ψ1_n=k(n+b1)dcosθ',

Ψ2_n=k(n+b2)cosθ",

где k - постоянная распространения, d - шаг решетки, а при дискретизации этих фазовых сдвигов используют константы округления δ1 и δ2 соответственно, причем, применяя один из известных методов поиска экстремума от метода простого перебора до метода дискретного программирования, подбирают величины b1, b2, δ1, δ2, обеспечивающие с приемлемой точностью требуемую разность значений фазовой диаграммы в направлениях максимумов главных лепестков.