Математическое моделирование пространственной системы возбуждения цилиндрической активной фазированной антенной решетки с электронной коммутацией

Введение

Как известно, в радиолокации для кругового обзора пространства традиционно использу­ют антенные системы с механическим враще­нием. Это решение достаточно просто реали­зуется технически, но сопровождается рядом проблем в обработке информации:

• ограниченное время облучения цели («контакта» диаграммы направленности (ДН) антенны с объектом локации), что по­вышает требование к энергетическому по­тенциалу РЛС;
• невозможность эффективного соче­тания режимов обнаружения и целеуказания с режимом сопровождения целей;
• необходимо решение задачи переда­чи сигналов от вращающейся антенны к не­подвижной аппаратуре обработки сигналов и устройств индикации.

Перечисленные и другие факторы выну­ждают разработчиков отдавать предпочтение конформным (сферическим, круговым или ци­линдрическим) фазированным антенным ре­шеткам (ФАР).

Конформные ФАР (круглые или цилин­дрические) обладают круговой симметрией и, следовательно, формируют лучи, ширина которых не зависит от угла сканирования. Это позволяет осуществить поворот луча (ДН) в пределах 360°. Однако создание требуемого амплитудно-фазового распределения в раскрыве таких ФАР сопряжено с существенными затруднениями.

Исследования, проведенные в 1970­1990-х гг., были направлены на разработку специальных систем питания матричного типа [1][2]. Матричная схема питания ФАР поз­воляет так преобразовать амплитудно-фазо­вое распределение (АФР) токов на излучате­лях, что управлять лучом можно будет за счет только изменения фаз фазовращателями, уста­новленными на входах матричной схемы [3]. Наличие в этих схемах распределительной матрицы с М входами и М выходами, где М < N (N - число излучателей ФАР), требует при­менения М переключателей на N/M направле­ний, а также большого количества соедини­тельных кабелей равной электрической длины.

Альтернативой матричной схеме воз­буждения конформных ФАР является про­странственная схема возбуждения с электрон­ной коммутацией излучателей. По сравнению с фидерной системой питания конформных ФАР пространственная схема питания в со­четании с активными приемо-передающими модулями (АФАР) имеет более широкую по­лосу пропускания и позволяет создать не толь­ко ДН с низким уровнем боковых лепестков, но и сформировать одновременно суммарную и разностные ДН для моноимпульсной обра­ботки сигналов. При этом значительно упро­щается конструкция ФАР. Эти свойства про­странственной системы питания АФАР делают ее более привлекательной при конструировании новых перспективных РЛС и навигационных систем с широкоугольным сканированием уз­ким лучом по азимуту и ДН специальной фор­мы (типа cosecθ) по углу места.

Цилиндрическая АФАР с пространственной схемой питания излучателей

На рисунке 1 изображена конструкция цилин­дрической АФАР, состоящей из М ДОС (диаграммо-образующих схем), каждая из которых содержит вертикальный делитель мощности, подключенный к I излучателям, и формиру­ет в вертикальной плоскости ДН косекансного вида или вида sinθ/θ. Ко входам делителей подключены приемо-передающие модули. Фа­зовращатели приемо-передающих модулей обеспечивают фазирование ДОС в горизонталь­ной плоскости с целью формирования узкой ДН в этой плоскости. В АФАР количество модулей АФАР равно количеству ДОС и равно М.

Для питания ДОС используется линза (рис. 2), представляющая собой радиальную линию передачи, которая образуется двумя пластинами в виде круга. Расстояние I меж­ду пластинами меньше 0,5λ, благодаря чему между ними создаются условия для распро­странения электрического поля с вектором E, направленным перпендикулярно их плос­костям. Возбуждение линзы осуществляется с помощью штырей (см. рис. 2). На рисун­ке 2 число штырей равно 5. Штыри 1-5 рас­положены перпендикулярно плоскости пла­стины в центре линзы. По периметру линзы через равные интервалы расположены п ’ шты­рей приемной решетки линзы - выходы линзы.

Каждый из n ’ приемных штырей линзы с помощью n ’ фидерной линии (если п’ = N) или непосредственно соединяется с модулем АФАР.

Схема коммутации (поворота) амплитуд­ного распределения и фазирования (СКФ) при­ведена на рисунке 3.

Сканирование луча в пространстве обес­печивается путем электронного поворота ам­плитудного распределения поля в линзе с по­мощью схемы коммутации и фазирования. Формирование перемещения АФР в линзе происходит за счет изменения токов возбу­ждения приемных штырей линзы синхронно с переключением ДОС, участвующих в фор­мировании ДН. Благодаря фазированию токов возбуждения центральных штырей двумя фа­зовращателями СКФ обеспечивается переме­щение луча на угол Δθρ = 360°/М

Принцип электронного поворота ам­плитудного распределения поля в линзе (рис. 2 и 3) с помощью двух фазовращателей состоит в следующем. Сигнал от передатчика (ПРД) с помощью 6-децибельного направленного ответвителя распределяется по двум направ­лениям.

1. Сигнал

U₁ = cosω₀t,                                                    (1)

относительная амплитуда которого равна единице, подается на центральный штырь 1 и формирует всенаправленную составляю­щую амплитудного распределения поля в лин­зе с постоянной фазой во всех направлениях.

2. Сигнал U_отв амплитуды K подается на разностный вход суммарно-разностного моста 6, на выходах которого образуются два сигнала:

В верхние и нижние плечи моста 6 вклю­чены управляющие фазовращатели 7 и 8. Ре­жим работы этих фазовращателей выбирается таким, чтобы сигнал на выходе фазовращате­ля 8 опережал, а на выходе 7 отставал по фазе от входного сигнала на величину Δφ.

Сигналы с выходов фазовращателей через 3-децибельный ответвитель 9 подают­ся на разностный вход суммарно-разностных мостов 10, 11.

Эти сигналы имеют следующий вид:

Напряжения U₂, U₃ и U₄, U₅ возбуждают центральные штыри линзы: соответственно, 2, 3 и 4, 5. Причем штыри 2 и 3 (4 и 5) возбу­ждаются в противофазе. В результате форми­руется АФР, зависящее от направления (α), которое при d > λ (где d - расстояние между центральными штырями линзы) связано с до­полнительной фазой напряжений на штырях 2 и 3 соотношением

а для штырей 4 и 5 соотношением

АФР в линзе определяется по следую­щим формулам:

где

и φ_2-3(α), φ_4-5(α) определяются формулами (5) и (6) соответственно.

U1 = A₀cos(ω₀t + π/4) – - напряжение на центральном штыре 1.

Направление максимума кривой АФР определяется формулами (7) и (8).

Таким образом, путем изменения зна­чения Δφ от нуля до 360° обеспечивается синхронный поворот АФР линзы на 360°. При приеме сигналов от ЛА (летательного аппарата) с направления, образующего угол α с линией, соединяющей центральные штыри 2 и 3, на выходе суммарно-разностного моста 6 (см. рис. 3) формируются суммарный и раз­ностный сигналы.

Моделирование дуговой АФАР с пространственной схемой питания

Разработана математическая модель конформ­ной АФАР с устройством пространственного (оптического) возбуждения излучателей. Мо­дель исследует характеристики ДН цилиндри­ческой АФАР, возбуждаемой линзой (плоско­параллельной радиальной линией), состоящей из двух параллельных пластин, по периферии которой размещены п’ = М приемных штырей (М - количество приемо-передающих модулей и ДОС АФАР).

Возбуждение линзы осуществлялось с помощью центральных штырей, количе­ство которых равно 5 или 9, расположенных по окружности, диаметр которой d = λ, где λ - длина волны.

Применение 9 или 5 штырей позволя­ет формировать амплитудное распределение, обеспечивающее разные уровни боковых ле­пестков в ДН цилиндрической АФАР. Однако это потребовало включения в схему возбужде­ния дополнительных четырех делителей мощ­ности для распределения энергии с выходов мостов 10 и 11 (рис. 3) между восемью цен­тральными штырями.

Периферийные штыри линзы располо­жены равномерно по окружности, диаметр которой определяется шириной ДН цилин­дрической АФАР в азимутальной плоскости. Расстояние между ДОС выбрано равным 0,63λ.

Активный сектор АФАР, формирующий азимутальную ДН, содержит N = M/l излуча­телей (ДОС), где I = 3 или 4 и, с одной сторо­ны, определяется шириной ДН, а с другой - ограничен требованием формирования линзой такого амплитудного распределения, которое обеспечит минимальный уровень боковых ле­пестков в ДН и минимум энергии, поступаю­щей на модули вне активного сектора АФАР. Для исследования этих свойств в модели ис­пользовалась АФАР с линзой, возбуждаемой 5 (рис. 3) и 9 штырями (рис. 4).

Моделировалась АФАР с числом из­лучателей М = 109, активный сектор содер­жал N = 53 модуля, расположенных по дуге β = 120°. Коммутация раскрыва осуществля­лась с угловым шагом Δ = β/N, а угловое поло­жение максимума амплитудного распределе­ния и, следовательно, положения максимума ДН определялось выражением

Амплитудное распределение рассчиты­валось для линзы из 5 штырей по формуле (7), для линзы с 9 штырями - по формуле (11).

где {x_t, y_t} - координаты t-го штыря в систе­ме координат (рис. 4). Диаграмма направлен­ности АФАР в азимутальной плоскости рас­считывалась по формуле для фиксированного активного сектора с максимумом в направле­нии Δ·p = φ_p:

На рисунке 5а представлено амплитудное распределение W[i], сформированное линзой, возбуждаемой 9-ю центральными штырями. На рисунке 5б представлена ДН излучателя АФАР. На рисунках 6, 7 представлены ДН АФАР, возбуждаемой линзой из 9 штырей.

Также моделировался вариант возбу­ждения цилиндрической АФАР радиальной линзой, содержащей 5 центральных штырей, и АФР типа «косинус на пьедестале», создава­емого активными модулями АФАР. Причем это АФР было модифицировано для дуговых ФАР методом, изложенным в работе [4]. На рисун­ках 8 и 9 представлена АФР линзы с 5-ю шты­рями и ДН дуговой АФАР (β = 120°, N = 53). Уровень боковых лепестков ДН составлял ми­нус 23 дБ. В результате создания на активных модулях амплитудно-фазового распределения Хэмминга, модифицированного для дуговых ФАР, и возбуждения АФАР линзой из 5 шты­рей (рис. 10) максимальный уровень боковых лепестков ДН АФАР стал ниже минус 25 дБ (рис. 11 и 12).

Заключение

Применение пространственного (оптическо­го) метода возбуждения с электронной комму­тацией излучателей цилиндрической АФАР позволяет сформировать узкий луч в азиму­тальной плоскости и обеспечивает возмож­ность электронного сканирования в пределах 360°. При этом не требуется разветвленного фидерного тракта и многопозиционных ком­мутаторов. Кроме того, рассмотренная схе­ма питания АФАР позволяет одновременно сформировать суммарную и разностную ДН для моноимпульсной обработки сигналов. При этом схема ФАР становится значительно проще (не требуются перекрестные коммута­торы и сумматоры сигналов левой и правой половин раскрыва ФАР и т. д.) по сравнению с фидерными системами питания, использу­ющими переключаемые матричные схемы возбуждения. Применение радиальной линзы передачи (приема), состоящей из 2 круглых пластин с воздушным или диэлектрическим заполнением, позволяет создать малогабарит­ную широкополосную линзу возбуждения. Применение рассмотренных схем и прие- мо-передающих модулей АФАР обеспечива­ет минимальную потерю сигнала возбужде­ния вне активного сектора АФАР и позволяет сформировать луч с низким уровнем боковых лепестков, узкий в азимутальной плоскости и широкий (специальной формы) в плоско­сти угла места.