способ формирования двух независимо ориентируемых лепестков в диаграмме направленности фазированной антенной решётки

Формула изобретения

Способ формирования двух независимо ориентируемых лепестков в диаграмме направленности фазированной антенной решетки, основанный на дискретизации фазовых сдвигов в каналах излучателей, отличающийся тем, что фазовый сдвиг в канале каждого излучателя устанавливают равным сумме двух дискретных фаз, одна из которых соответствует бинарному, т.е. с дискретом , квантованию фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол ' _z, а вторая - квантованию с более мелким шагом фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол '' _z, причем для независимого наведения первого и второго главных лепестков в направления _1z и _2z углы ' _z и '' _z выбирают в соответствии с соотношениями

' _z=arccos[(cos _1z-cos _2z)/2];

'' _z=arccos[(cos _1z+cos _2z)/2].

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для формирования двухлепестковых диаграмм направленности (ДН) с независимым сканированием каждого из лепестков (лучей).

В известных способах сканирование луча фазированной антенной решетки (ФАР) осуществляют путем непрерывного или дискретного управления фазами в каналах излучателей.

Известен способ сканирования луча ФАР, основанный на дискретизации в каналах излучателей фаз, соответствующих линейному фазовому фронту, обеспечивающему установку луча в заданном направлении [1].

Существо известного способа (применительно к N-элементной линейной ФАР, расположенной вдоль оси z) 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) фазу сигнала устанавливают дискретной в соответствии с соотношением

где - дискрет фазирования,

Ent(x) - целая часть числа х,

q - константа округления (обычно q=0.5),

k=2·/, - длина волны,

d_z - шаг решетки,

_0z - требуемый угол ориентации луча относительно оси z.

При таком фазировании диаграмма направленности ФАР имеет один главный лепесток, максимум которого ориентирован примерно в направлении _0z.

Недостатком известного способа сканирования является то, что он не может сформировать ДН с двумя главными лепестками, ориентированными в произвольных направлениях. В то же время известно, что функциональные возможности многих радиотехнических систем могут быть значительно расширены, если антенная решетка способна оперативно изменять количество независимо ориентируемых лучей в диаграмме направленности.

Предлагаемый способ направлен на устранение упомянутого недостатка. На фиг.1 представлены диаграммы направленности линейной ФАР с двумя независимо ориентированными главными лепестками (сплошная линия) и с двумя симметрично отклоненными от нормали к решетке лепестками (штриховая линия). На фиг.2-3 приведены объемные ДН плоской ФАР, а на фиг.4-5 - их конические сечения, проходящие через главные лепестки объемной ДН. В линейной АР число излучателей N=20, в плоской АР N_x×N _y (N_x=20, N_y=20), шаг решетки во всех случаях был равен d=0.5.

Рассмотрим существо упомянутого способа. Как и в прототипе, сигнал передатчика распределяют между каналами излучателей, после чего фазу сигналов в каналах излучателей также устанавливают дискретной. Однако в отличие от прототипа фазовый сдвиг в канале каждого излучателя устанавливают равным сумме двух дискретных фаз, одна из которых соответствует бинарной (0, ) дискретизации фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол ' _z, а вторая - дискретизации с более мелким шагом фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол '' _z, причем для независимого наведения первого и второго главных лепестков в направления _1z и _2z углы ' _z и '' _z выбирают в соответствии с соотношениями

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявленный способ отличается тем, что изменены условия выполнения операции дискретизации фаз в каналах излучателей, поскольку фазовый сдвиг в канале каждого излучателя устанавливают равным сумме двух дискретных фаз, одна из которых соответствует бинарной (0, ) дискретизации фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол ' _z а вторая - дискретизации с более мелким шагом фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол '' _z, причем для независимого наведения первого и второго главных лепестков в направления _1z и _2z углы ' _z и '' _z выбирают в соответствии с соотношениями (3)-(4).

Рассмотрим предлагаемый способ вначале на примере линейной ФАР изотропных излучателей, ориентированной вдоль оси z сферической системы координат.

Выше было показано, что для ориентации луча в направлении _0z при непрерывном и дискретном фазировании фазы излучателей устанавливаются в соответствии с формулами (2) и (1) соответственно, из которых следует, что при необходимости ориентировать луч в симметричном относительно нормали к решетке направлении 180°- _0z соответствующие фазовые сдвиги будут отличаться от (2) и (1) только знаком, поскольку cos(180°- _z)=-cos _0z. Поскольку при фазировании с дискретом _n ^дискр кратно , то разность фаз в n-м элементе, необходимых для ориентации луча в направления _0z и 180°- _0z, кратна 2. Поэтому, в ДН, помимо лепестка в направлении _0z, сформируется лепесток в направлении 180°- _0z.

Убедиться в этом можно, рассчитав диаграмму направленности решетки по формуле

На фиг.1 штриховой линией представлены результаты расчета по формуле (5) при _0z=50°. Очевидно ДН линейной ФАР при фазировании с дискретом содержит два луча, ориентированных симметрично относительно экваториальной плоскости. Точно такие же два луча формируются в ДН и при ориентации луча в направлении 180°- _0z.

Если при непрерывном фазировании фазовый сдвиг в n-м излучателе установить равным сумме двух фаз

и

соответствующих ориентации луча в направлениях ' _z и '' _z соответственно, то максимум ДН установится в направлении _1z, которое связано с углами ' _z и '' _z соотношением

которое несложно получить, приравняв выражение (2) сумме выражений (6) и (7).

При дискретизации 1 _n с дискретом , а 2 _n с более мелким (например, /4) дискретом, помимо луча, ориентированного в направлении _1z, сформируется луч в направлении _2z, которое определяется из соотношения

Поочередно вычитая и суммируя выражения (8) и (9), получим

Из выражений (10) и (11) непосредственно следуют приведенные выше соотношения (3) и (4) для углов ' _z и '' _z.

На фиг.1 сплошной линией представлена диаграмма направленности линейной ФАР с двумя главными лепестками, ориентированными в заданных направлениях ( _1z=50°, _2z=150°), рассчитанная по формуле (5), где _n ^дискр определен формулой

где

Предложенный способ пригоден и для формирования двух независимо ориентированных лепестков в объемной ДН ФАР. Применительно к плоской эквидистантной АР изотропных излучателей, расположенных в плоскости хоу с шагом d_x и d_y вдоль осей х и у соответственно, предложенный способ формирования двух независимо ориентированных лепестков в объемной ДН АР с дискретными фазовращателями бинарного типа реализуется, если фазу излучателя, стоящего на пересечении строки с номером n_x и столбца с номером n_y, устанавливать в соответствии с соотношениями

где

Здесь через _1x, _1у, _2x, _2у обозначены заданные углы ориентации первого и второго лучей относительно положительных направлений осей x и у соответственно.

На фиг.2-5 приведен пример реализации предложенного способа применительно к плоской ФАР при _1x=50, _1у=50, _2x=120, _2y=60. На фиг.2 и 3 представлены ДН в виде поверхностей и в виде линий уровня соответственно. Конические сечения объемных ДН, соответствующие фиксированным значениям _1x, _2x либо _1y, _2y, приведены на фиг.4 и 5.

Объемные ДН рассчитывались по формуле

Из фиг.1-5 следует, что изменение условий выполнения операции дискретизации фаз в каналах излучателей, заключающееся в том, что фазовый сдвиг в канале каждого излучателя устанавливают равным сумме двух дискретных фаз, одна из которых соответствует бинарной (0, ) дискретизации фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол ' _z, а вторая - дискретизации с более мелким шагом фазового сдвига, обеспечивающего отклонение луча на угол '' _z, причем для независимого наведения первого и второго главных лепестков в направления _1z и _2z углы ' _z и '' _z выбирают в соответствии с соотношениями (3)-(4), приводит к возможности формирования в ДН двух независимо ориентируемых лучей.

Источник информации

Дерюгин Л.Н., Зимин Д.Б. Коммутационный метод управления лучом//«Радиотехника и электроника», 1964, №3, с.19.