многочастотная антенная решетка для формирования в пространстве последовательности радиоимпульсов

Формула изобретения

Многочастотная антенная решетка, состоящая из системы формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот, N излучающих элементов, где N больше двух, N управляемых фазовращателей, системы управления фазовращателями, причем входы управляющих сигналов фазовращателей соединены с выходом системы управления фазовращателями, выходы системы формирования когерентной сетки частот соединены с входами СВЧ сигнала фазовращателей так, что сигналы с различными частотами распределены по элементам антенной решетки по случайному закону, отличающаяся тем, что в нее введены N балансных смесителей, N полосовых фильтров, генератор, управляемый напряжением, генератор сигналов произвольной формы, причем каждый выход СВЧ сигнала управляемого фазовращателя соединен с входом СВЧ сигнала соответствующего балансного смесителя, кроме того, выход генератора сигналов произвольной формы соединен с входом генератора, управляемого напряжением, выход которого соединен с входом сигнала модуляции соответствующего балансного смесителя, причем выходы СВЧ сигналов балансных смесителей через свои полосовые фильтры соединены с входами соответствующих излучающих элементов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиоэлектронного подавления с помощью заградительной по частоте помехи.

Известное устройство - «Сканирующая антенна» [1] с монотонным изменением частот сигналов по элементам, предназначенная для автоэлектронного сканирования диаграммы направленности (ДН) антенны, которая содержит систему формирования когерентной сетки частот (СФСЧ) и эквидистантную линейную антенную решетку (ЛАР), состоящую из N излучающих элементов. Частоты сигналов по элементам решетки от 1-го до N-го располагаются в порядке возрастания или убывания частоты, а величина дискрета частоты (минимального интервала между частотными компонентами) f для любых двух соседних элементов ЛАР является постоянной величиной. При этом разность фаз между двумя соседними элементами ЛАР равна 2 ft рад (где t - время), в результат чего происходит автоэлектронное сканирование ДН.

Основной недостаток, который не позволяет использовать эту решетку для формирования заградительной по частоте помехи - линейчатый спектр излучаемого сигнала с дискретом частоты f. Создание заградительной по частоте помехи невозможно, поскольку полоса частот приемника подавляемого устройства может быть меньше дискрета частоты f.

Общие признаки аналога и изобретения: одинаковые элементы схемы системы формирования когерентной сетки частот (СФСЧ) и многочастотная антенная решетка (МЧАР), а также принцип формирования сигнала - суперпозиция разночастотных сигналов в пространстве.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является МЧАР для формирования последовательности импульсных сигналов в пространстве [2], которая выбрана в качестве прототипа изобретения, структурная схема которой приведена на фиг.1. Прототип содержит систему формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот (1), МЧАР, которая состоит из N излучающих элементов (2) (N>2), N управляемых фазовращателей (3), системы управления фазовращателями (4). Причем входы излучающих элементов (2) соединены с выходами управляемых фазовращателей (3), управляющие выходы фазовращателей (3) соединены с выходом системы управления фазовращателями (4), выходы системы формирования когерентной сетки частот (1) соединены с входами управляемых фазовращателей (3) так, что сигналы с различными частотами распределены по элементам решетки по случайному закону. За счет случайного распределения частот сигналов по элементам апертуры направление максимума ДН, формируемого МЧАР, фиксировано в пространстве (при N>2).

Направление максимума ДН МЧАР, как и у традиционных фазированных антенных решеток (ФАР), определяется детерминированным фазовым распределением сигнала по элементам апертуры и может изменяться с помощью управляемых фазовращателей (3). При этом ширина ДН МЧАР в одной плоскости по половинной мощности _cp/D определяется средней длиной волны _cp многочастотного сигнала и линейным размером апертуры МЧАР в этой плоскости - D. Длительность импульса, формируемого МЧАР - _u, зависит от ширины полосы многочастотного сигнала _Fmax

Период повторения импульсов Т обратно пропорционален дискрету частоты Т=1/ f, а частота повторения импульсов равна дискрету частоты. При этом длительность и частота повторения импульсов не зависят от размера апертуры и случайного закона распределения частот сигналов по излучателям МЧАР.

На фиг.2 приведено двумерное пространственно-временное распределение (ПВР) интенсивности и последовательности радиоимпульсов, сформированное прототипом в зависимости от азимутального угла, выраженного в радианах, и от времени, выраженного в наносекундах. Расчеты выполнены для дальней зоны излучения МЧАР при следующих начальных условиях:

- плоская МЧАР с числом элементов N=5×5 и размерами D×D=2,5×2,5 м²;

- рабочая полоса частот F_max=906-1194 МГц и соответствующая полосе длительность формируемого импульса _u=3 нс;

- величина дискрета частоты f=12 МГц и соответствующий ей период повторения импульсов T~83,33 нс;

- средняя частота излучаемого сигнала f_ср=1050 МГц.

Интенсивность суммарного сигнала, создаваемого МЧАР, состоящей из изотропных элементов, в любой точке пространства может быть определена следующим соотношением:

где , - сигналы, излучаемые j-м и m-м элементами МЧАР, соответственно;

, - комплексные передаточные функции среды распространения от j-го и m-го элементов МЧАР до заданной в пространстве точки;

N - число элементов МЧАР;

_j, _m - начальные фазы сигналов, излучаемых элементами МЧАР;

_Гj=k_jr_j, _Гm=k_mr_m - набеги фазы на трассе распространения сигналов от j-го и m-го элементов МЧАР до заданной в пространстве точки;

k_j , k_m - волновые числа;

r_j , r_m - расстояние от j-го и m-го элементов МЧАР до заданной в пространстве точки;

_{j, m} - циклические частоты сигналов, излучаемых j-м и m-м элементами МЧАР, _j=2 f_j.

Сечение ПВР в нулевой момент времени плоскостью, параллельной апертуре, является ДН МЧАР, а сечение ПВР плоскостью, перпендикулярной оси МЧАР, представляет форму импульсного сигнала, формируемого этой решеткой.

Таким образом, МЧАР совмещает функции излучающей системы и пространственного импульсного модулятора. Использование МЧАР для пространственного формирования широкополосных и сверхширокополосных сигналов позволяет, во-первых, обеспечить согласование генераторов с излучателями, поскольку каждый элемент такой антенны является узкополосным, а во-вторых, сформировать практически любую заданную форму фазочастотной характеристики МЧАР, например линейную.

Основным недостатком прототипа, с точки зрения создания заградительной по частоте помехи, является то, что МЧАР формирует в пространстве последовательности импульсных сигналов с линейчатым спектром и дискретом частоты f, равным частоте повторения импульсов.

Создание заградительной по частоте помехи с помощью прототипа невозможно, поскольку полоса частот приемника подавляемого устройства может быть меньше дискрета частоты f.

На фиг.3 показан фрагмент спектра последовательности радиоимпульсов, формируемой прототипом, расчеты выполнены с помощью преобразования Фурье.

Общие признаки изобретения и прототипа: система формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот (СФСЧ) (1), N излучающих элементов (2), N управляемых фазовращателей (3), системы управления фазовращателями (4). Кроме того, входы излучающих элементов (2) соединены с выходами управляемых фазовращателей (3), управляющие выходы фазовращателей (3) соединены с выходом системы управления фазовращателями (4), выходы системы СФСЧ (1) соединены с входами управляемых фазовращателей (3) так, что сигналы с различными частотами распределены по элементам решетки по случайному закону.

Техническим результатом изобретения является создание МЧАР с заградительной по частоте помехой в заданной полосе частот при излучении последовательности радиоимпульсов с заданными длительностью и частотой повторения.

Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что все разночастотные сигналы, излучаемые элементами МЧАР, модулируются по частоте по одинаковому закону, который может быть как регулярным, так и случайным (например, модуляция белым шумом). Вследствие этого МЧАР излучает импульсные сигналы с качающейся несущей частотой, что является одним из отличительных признаков изобретения.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.4 представлена блок-схема заявляемой МЧАР, на которой введены обозначения: 1 - система формирования когерентной сетки частот (СФСЧ); 2 - излучатели; 3 - управляемые фазовращатели (УФ); 4 - система управления фазовращателями (СУФ); 5 - балансный смеситель (БСм); 6 - полосовой фильтр (ПФ); 7 - генератор, управляемый напряжением (ГУН); 8 - генератор сигналов заданной формы (ГСФ) с полосой формируемого сигнала не более 10% от величины девиации частоты.

На фиг.5 приведено в прямоугольной системе координат пространственно-временное распределение интенсивности последовательности радиоимпульсов, в зависимости от азимутального угла, выраженного в радианах и от времени выраженного в наносекундах, сформированное заявляемым устройством. Интенсивность нормирована по максимуму.

На фиг.6 приведен фрагмент частотного спектра последовательности радиоимпульсов, формируемой заявляемым изобретением, рассчитанный в координатах: частота (в мегагерцах) - амплитуда (нормированная по максимальному значению для сигнала без качающейся несущей), расчеты выполнены с помощью преобразования Фурье.

Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что МЧАР содержит: систему формирования когерентной сетки частот (СФСЧ) 1, N излучателей 2, где N больше двух, N управляемых фазовращателей (УФ) 3, систему управления фазовращателями (СУФ) 4, N балансных смесителей (БСм) 5, N полосовых фильтров (ПФ) 6, генератор, управляемый напряжением (ГУН) 7 и генератор сигналов произвольной формы (ГСФ) 8 (фиг.4).

МЧАР может быть выполнена линейной, плоской или конформной.

СФСЧ 1 может быть выполнена на основе, например, типовых синтезаторов частоты VMK-2401 - VMK-2403 (разработка ФГУП НИИПИ «Кварц»), работающих от общего опорного генератора, в качестве которого может использоваться типовой рубидиевый стандарт частоты.

Излучатели 2 могут быть выполнены в виде, например, спиральных или рупорных антенн.

УФ 3 может быть выполнен, например, ферритовым с входом и выходом СВЧ сигнала и входом управляющего сигнала.

СУФ 4 может быть выполнен на основе компьютера.

БСм 5 может быть выполнен по известной схеме смесителей с входом и выходом СВЧ сигнала и входом сигнала модуляции.

ПФ 6 может быть выполнен по известным схемам полосовых фильтров с входом и выходом СВЧ сигнала.

ГУН 7 может быть выполнен по известным схемам генераторов, управляемых напряжением.

Генератор сигналов заданной формы (ГСФ) 8 с полосой формируемого сигнала не более 10% от величины девиации частоты может быть выполнен по известным схемам генераторов, например, синусоидальных сигналов, случайных сигналов или сигналов специальной формы.

N выходов СФСЧ соединены с соответствующими входами СВЧ сигналов УФ 3 по случайному закону.

Выход СУФ 4 соединен с соответствующим входом управляющего сигнала каждого УФ 3.

Каждый выход СВЧ сигнала УФ 3 соединен с входом СВЧ сигнала соответствующего БСм 5.

Выход ГСФ 8 соединен с входом ГУН 7, выход которого соединен с входом модулирующего сигнала каждого БСм 5.

Выходы СВЧ сигналов БСм 5, через свои ПФ 6 соединены с входами соответствующих излучающих элементов 2.

МЧАР по изобретению работает следующим образом (фиг.4): когерентные сигналы с частотами f ₀₁-f_0N (N - количество элементов МЧАР), сформированные СФСЧ 1, через УФ 3 поступают на БСм 5, на которых смешиваются с сигналом с выхода ГУН 7, имеющего частоту f₀+f _чм (t). Закон, по которому происходит изменение частоты f_чм(t) во времени, определяется ГСФ 8. Максимальная девиация частоты не должна превышать половину минимального частотного дискрета. В результате на выходе j-го балансного смесителя (j=1 N) появляется сигнал, спектр которого состоит из комбинационных частот f_0j; ±(f₀+f_чм(t)); ±2(f₀+f_чм(t));

На выходах БСм 5 включены ПФ 6, выделяющие в зависимости от условий технической реализации сигнал со спектром f_0j+f₀+f_чм(t)=f_j+f _чм(t) или f_0j-f₀-f_чм(t)=f _j-f_чм(t). Дальше будем для определенности рассматривать сигнал верхней боковой полосы f_j+f_чм(t).

Сигналы с выходов ПФ поступают на входы излучающих элементов (2) МЧАР.

В случае, если f_чм (t) изменяется по синусоидальному закону _ЧМ(t)= _Дcos t, напряженность сигнала E(t) с j-й частотой _j=2 f_j, создаваемая МЧАР в некоторой точке пространства, может быть представлена без учета фазы в виде:

,

где m= _д/ - индекс угловой модуляции; _д - девиация частоты; - модулирующая частота.

Выражение (1) разлагается в ряд Фурье-Бесселя:

E_0jcos(J₀ (m)cos _jt+J₁(m)(cos( _j+ )t-cos( _j- )t)-

-J₂(m)(cos( _j+2 )t-cos( _j-2 )t)+

+J₃(m)(cos( _j+3 )t-cos( _j-3 )t)- )

где J_n(m) - функция Бесселя первого рода n-го порядка от аргумента m.

Таким образом, дискрет частоты спектра сигнала, излучаемого МЧАР, в данном случае будет определяться модулирующей частотой . Очевидно, что если f_чм(t) изменяется по периодическому закону, тогда дискрет спектра будет обратно пропорционален периоду. Для непериодического закона изменения f_чм(t) дискрет будет определяться минимальной частотой в спектре f_чм (t).

При этом, поскольку все сигналы с частотами f_0j, поступающие из СФСЧ, модулируются одной и той же частотой по одинаковому закону, сигналы с частотами f _j, излучаемые МЧАР остаются когерентными, а значит, не разрушается форма излучаемого импульса. Наличие частотной модуляции в элементах МЧАР позволяет формировать в пространстве импульсные сигналы со спектром сигнала, близким к сплошному и с заданным интервалом между соседними спектральными компонентами много меньшим частоты повторения импульсов, формируемых решеткой. Если сигналы, излучаемые элементами решетки, имеют одинаковую амплитуду, несущая частота сформированного в пространстве импульсного сигнала может быть определена как , поэтому можно говорить о сигнале с качающейся несущей частотой.

Пространственно-временное распределение интенсивности суммарного сигнала, формируемого заявляемой МЧАР с качающейся несущей частотой в зависимости от времени и пространственных координат, рассчитанное при тех же начальных условиях, что и на фиг.2, при частотной модуляции всех компонент сигнала по синусоидальному закону с модулирующей частотой /2 =0,3 МГц и девиацией _д/2 =6 МГц приведено на фиг.5. Частоты f_j спектра сигнала равны частотам на фиг.2.

Фрагмент частотного спектра заградительной помехи при синусоидальной частотной модуляции показан на фиг.6. Сравнение спектров на фиг.2 и фиг.6. показывает, что устройство, полоса приемника которого для данного конкретного случая меньше 6 МГц может без помех работать между спектральными компонентами прототипа, например между частотами f_j =1038 МГц и f_j+1=1050 МГц (фиг.2). В то же время для случая МЧАР с качающейся несущей частотой при /2 =0,3 МГц возможно создание помехи для устройства с полосой приемника большей, чем 0,3 МГц, но меньшей, чем 6 МГц. Выбирая значение модулирующей частоты при проектировании, можно добиться создания помехи в сколь угодно узкой полосе.

При шумоподобной модуляции спектр излучаемого сигнала близок к сплошному спектру.

Многочастотная антенная решетка (МЧАР) по изобретению выполнена плоской в соответствии со структурной схемой Фиг.4.

Число излучающих элементов МЧАР выбрано N=5×5 и размеры ее апертуры D×D=2,5×2,5 м.

Рабочая полоса частот F_max=906-1194 МГц, длительность формируемого импульса _u=3 нс.

Величина частотного дискрета f=12 МГц и соответствующий ей период повторения импульсов T~83,33 нс.

Средняя частота излучаемого сигнала f_ср=1050 МГц.

Генератор ГСФ 8 генерирует сигнал синусоидальной формы, полоса формируемого сигнала составляет в 8% от величины девиации частоты.

СФСЧ 1 выполнен на основе синтезаторов частоты VMK-2401, работающих от общего опорного генератора, в качестве которого использован типовой рубидиевый стандарт частоты типа А-1050.

Излучатели 2 выполнены в виде рупорных антенн фирмы R&S с коэффициентом усиления 10-14 дБ и волновым импедансом 50 Ом.

УФ 3 выполнен в виде дискретных 6-секционных фазовращателей с минимальным дискретом фазы 5,5 градуса с коммутаторами на p-i-n диодах типа 2А561А-3, управление коммутаторами осуществляется с помощью компьютера.

СУФ 4 выполнен на основе компьютера, при этом управление ДН МЧАР осуществляется программно.

БСм 5 может быть выполнен по известной схеме с входом и выходом СВЧ сигнала и входом сигнала модуляции.

ПФ 6 с шириной рабочей полосы не менее 12 МГц по уровню -3 дБ выполнен на основе полуволновых и четвертьволновых коаксиальных шлейфов.

ГУН 7 выполнен по известной схеме генератора, управляемого напряжением.

ГСФ 8 выполнен по известной схеме генератора случайных сигналов.

Вследствие частотной модуляции интервал между соседними частотными компонентами спектра, излучаемого МЧАР, определяется минимальной частотой в спектре сигнала f_ЧМ(t) и выбран малым на столько, на сколько это требуется для постановки заданной заградительной по частоте помехи.

При этом, поскольку все сигналы с частотами f_0j, поступающие из СФЧС 1, модулируются одной и той же частотой по одинаковому закону, поэтому сигналы, излучаемые МЧАР, остаются когерентными.

Технический результат изобретения достигнут, так как наличие частотной модуляции в элементах МЧАР позволяет формировать в пространстве импульсные сигналы с качающейся несущей частотой и интервалом между соседними спектральными компонентами, много меньшим частоты повторения импульсов, формируемых решеткой, что позволяет создавать заградительную по частоте помеху. При этом частотная модуляция не разрушает форму импульсного сигнала и не изменяет положения максимума ДН в пространстве.

Отличительные признаки изобретения

Введены N балансных смесителей (5), N полосовых фильтров (6), генератор, управляемый напряжением (7), генератор сигналов произвольной формы (8).

Каждый выход СВЧ сигнала управляемого фазовращателя (3) соединен с входом СВЧ сигнала соответствующего балансного смесителя (5), кроме того, выход генератора сигналов произвольной формы (8) соединен с входом генератора, управляемого напряжением (7), выход которого соединен с входом сигнала модуляции соответствующего балансного смесителя (5).

Выходы СВЧ сигналов балансных смесителей (5) через свои полосовые фильтры (6) соединены с входами соответствующих излучающих элементов (2).

Источники информации

1. Сканирующая антенна, заявка 2153076, Франция, публикация 1973 г., 1 июня.

2. Воробьев Н.В., Грязнов В.А. Многочастотная антенная решетка для формирования последовательности импульсных сигналов в пространстве: патент RU № 2280930 по заявке 2004101937, H01Q 21/00. Приоритет от 2004.01.27.