CC BY
22Электродинамика, микроволновая техника, антенны
УДК 621.369.677
М. Р. Бибарсов
Военная академия связи В. А. Волошина, С. В. Землянский, Б. Д. Мануилов, В. В. Шацкий
Ростовский филиал Военной академии им. Петра Великого
Н. В. Шацкий
Секция по оборонным проблемам МО РФ при Президиуме РАН
I Исследование характеристик многофункциональной антенной решетки
Рассмотрен вариант построения многофункциональной антенной решетки, обеспечивающей многорежимный вид работы, для интегрированных радиоэлектронных комплексов. Многофункциональная антенная решетка реализована на базе антенной решетки с дискретными фазовращателями. Приведены результаты численного моделирования.
Радиоэлектронные средства, многофункциональная антенная решетка, цифровая антенная решетка, диаграмма направленности, дискретный фазовращатель, фазовое распределение, устройство управления фазовращателями, реверсивный счетчик, дешифратор
Широкое внедрение многофункционального режима в современные радиоэлектронные средства (РЭС) связано прежде всего с необходимостью совмещения в одном комплексе функций, присущих радиолокационным средствам, средствам радиоразведки, радиоэлектронной борьбы, связи, навигации и т. п. Для подобных комплексов необходимо разработать интегрированное РЭС с быстрым изменением конфигурации диаграммы направленности (ДН) и положения главного максимума ДН в пространстве. Перечисленные функции могут быть реализованы при использовании многофункциональной антенной решетки (МАР) на основе фазированных антенных решеток или цифровых антенных решеток [1].
Постановка задачи. Дальнейшее совершенствование техники требует разработки и создания МАР, обеспечивающих поиск и обнаружение объектов в заданном угловом секторе и последующее сопровождение одной цели или нескольких. Режим поиска и обнаружения в МАР можно обеспечить за счет регулирования ширины луча ДН, а для сопровождения нескольких объектов необходимо формирование многолепестковых (многолучевых) ДН. Известны устройства [2], [3], предназначенные для управления антенными решетками (АР) с двухлепестковой ДН. В этих устройствах на основе счетчиков вырабатываются сигналы управления дискретными фазовращателями, под действием которых на раскрыве АР устанавливается требуемое фазовое распределение и формируется одно- или двухлучевая ДН. Устройства содержат преобразователь команд управления в последовательность импульсов, координатные множительные блоки, m-разрядные счетчики. Основным недостатком этих устройств является невозможность регулирования ДН АР в процессе работы. В
© Бибарсов М. Р., Волошина В. А., Землянский С. В., Мануилов Б. Д., Шацкий В. В., Шацкий Н. В., 2012 3
[3], [4] рассмотрены общие подходы к формированию многолепестковых ДН. Для этого использовано свойство АР с дискретными фазовращателями из двух и более секций, причем при установке младших секций всех фазовращателей в одинаковые положения и при подаче управляющих сигналов только на секции, обеспечивающие поворот ДН на 180°, формируются два симметрично отклоненных луча, поскольку ступенчатая (с дискретом л) аппроксимация фазового распределения в раскрыве дает значения фаз 0 ил, эквивалентных своим зеркальным значениям 0 и - л. В результате суммирования фазовых распределений, формирующих симметричную двухлучевую и обычную однолучевую диаграммы, можно получить возможность независимого управления двумя лучами ДН АР.
В однолучевом режиме на раскрыве АР формируется линейное фазовое распределение, несимметричное относительно центра. Для расширения луча в дополнение к нему необходимо обеспечить симметричное относительно центра изменение фазы по линейному закону. При этом половины АР, разделенные центральным излучателем, фазируются в противоположных направлениях, и парциальные ДН каждого полураскрыва, имеющие ширину луча, в два раза большую исходной, отклоняются в разные стороны, что позволяет расширить луч от одного раза до четырех раз, если допустить провал по оси излучения не более 3 дБ.
Поэтому, формируя на раскрыве АР фазовое распределение, являющееся суммой обычного линейного (несимметричного) распределения, соответствующего отклонению луча, и симметричного распределения, соответствующего расширению луча, можно управлять положением луча и его шириной. Общее соотношение, описывающее алгоритм формирования одно- и двухлепестковой ДН, а также ДН с расширением лепестка, имеет вид
Ф± n =П E
A (± n h
~m-r ± qi
+ 4 E 2k
B(±n) ,
—r± q2 2^—k 2
+4 E 2k
' Cn ^
±
^m—k q3
V 2
(1)
2'
где п - номер излучателя относительно центрального; Е [ ] - оператор взятия целой части числа; А, В, С - команды установки счетчиков дискретных фазовращателей; т - число разрядов в счетчиках; Чу, 42, Чз = 0-5 - константы округления, реализуемые предварительной установкой; к - количество секций (разрядов) дискретных фазовращателей.
Первое слагаемое выражения (1), значение которого определяется командой А, характеризует фазовое распределение, реализуемое с помощью фазовых сдвигов, равных 180°, и определяет угол разведения двух лучей. Второе слагаемое (команда В) определяет угол наклона оси симметрии указанных двух лучей относительно нормали к раскрыву АР, а в однолучевом режиме - угол наклона луча. Третье слагаемое выражения (1) (команда С) определяет ширину луча.
Результаты численного моделирования. Выполнено моделирование ДН линейной АР, результаты которого подтвердили возможность управления АР во всех указанных режимах. Исследованы линейные АР с числом излучателей N от 8 до 35, расположенных с шагом, равным половине длины волны, и с трехсекционными дискретными фазовращателями. АР управляется устройством с четырехразрядными счетчиками. На рис. 1 приведены двухлепестковые ДН при управлении только командой А с разведением лучей на угол 60° (ось симметрии двух лучей направлена по нормали к раскрыву АР) с N = 15 (рис. 1, а) и N = 35 (рис. 1, б) соответственно.
0.25 0
D 0.75 0.5 0.25
D 0.75 0.5 0.25
N = 35
30 60 90 120 150 e,
б
Рис. 1
N = 15
D 0.75 0.5
0.25
N = 35
30
60
90
а
120
150 e,
30
60
90
б
120
150 e,
Рис. 2
На рис. 2 приведены двухлепестковые ДН этих же АР при совместном управлении командами A и B. При этом один луч направлен по нормали, а второй отклонен на 30° вправо.
Эти рисунки иллюстрируют возможность независимого управления положениями двух лучей изменением угла разведения между ними и ориентацией оси симметрии.
На рис. 3 и 4 сплошными линиями приведены ДН АР с числом элементов N = 15 (рис. 3) и N = 21 (рис. 4) при однолучевом сканировании без расширения, т. е. когда устройство управления обрабатывает только команду B, а штриховыми линиями нанесены ДН для тех же положений луча, но с расширением, т. е. при обработке команд B и C. Как следует из рисунков, расширение луча ДН обеспечивается не менее чем в 3-4 раза по уровню - 3 дБ.
На рис. 5 приведена укрупненная структурная схема МАР, на рис. 6 - схема устройства управления фазовращателями МАР, реализующие описанный ранее алгоритм.
МАР состоит из излучателей, дискретных фазовращателей, делителя (сумматора) мощности и устройства управления фазовращателями (рис. 6). В передающем режиме мощность электромагнитных колебаний, подведенная к делителю мощности, распределяется необходимым образом по каналам МАР. В дискретных фазовращателях проходящие сигналы получают необходимый фазовый сдвиг и излучаются в свободное пространство. Значения фазовых сдвигов, определяемые выражением (1), формируются в устройстве управления фазовращателями.
Рассмотренный вариант устройства (рис. 6) предназначен для фазирования относительно центра МАР (оси симметрии решётки). В этом случае фаза центрального излучателя всегда равна нулю, а фазы излучателей справа и слева от центра с номерами ±n равны и противоположны по знаку. Для реализации такого фазового распределения в устройстве
0
0
0
о
о
В 0.75 0.5 0.25 0
В 0.75 0.5
В 0.75 0.5 0.25
N = 15
ЛАл
N
ух
Рис. 3
0.25
N = 21
г /1'
В 0.75 0.5 0.25
30
N = 21
60
90
б
120 150 е,
Л
30
60
90
120 150 е,
30
60
90
120 150 е,
Рис. 4
управления используются реверсивные счетчики 6, со старших разрядов (8-10) которых снимаются сигналы управления (11-13) секциями дискретных фазовращателей. В зависимости от требуемого наклона фазового распределения относительно нормали к раскрыву МАР реверсивные счетчики правой половины работают на суммирование, а левой половины - на вычитание (либо наоборот), что обеспечивает формирование относительно центра разнополярных фазовых набегов на обеих половинах МАР. Реверсивные счетчики выполнены без ключей в цепях переноса в старший разряд, препятствующих проникновению единицы переноса при обнулении и записи констант.
Функционирование устройства управления фазовращателями МАР в режиме без расширения луча осуществляется следующим образом. На первом этапе идет обработка кода команды А. Преобразователь 1 сигналами 15 устанавливает счетчики 6 в исходное состояние, записывая в разряды 9 счетчиков на правой половине МАР и в разряды 9 и 10 счетчиков на левой половине МАР единицы, а остальные разряды счетчиков обнуляя. Запись таких кодов в счетчики 6 обеспечивает реализацию константы 41 =±0.5 в выражении (1), которая соответствует фазовым сдвигам ±90° (код 0100 в правой половине обеспечивает фазовый сдвиг 90°, код 1100 в левой половине - 270° = -90°). Управляющими сигналами В-С преобразователь 1 переводит дешифратор 16 в режим формирования несимметричного относительно центра фазового распределения. В результате на выходах В и С дешифра-рис 5 тора 16 появляются единицы, которые устанавливают ре-
0
0
о
о
6 6 6 6
версивные счетчики 6 левой половины MAP в режим вычитания, а счетчики 6 правой половины MAP - в режим сложения. При необходимости отклонить ось симметрии в проти-поположную сторону от нормали MAP единицы устанавливаются на выходах E и F дешифратора 16, что переводит реверсивные счетчики 6 левой половины в режим вычитания, а правой - в режим сложения. С информационного выхода преобразователя 1 на вход координатно-множительного блока 5 поступает AN импульсов. На выходах блока 5
формируются последовательности из An импульсов (n = 1, N, N - порядковый номер излучателя на одной из половин MAP), что достигается умножением на множители n/N. Указанные последовательности поступают на информационные входы счетчиков 6. В результате в ближайшие к оси симметрии счетчики вводится A импульсов, в следующую пару - 2A импульсов и т. д. В наиболее удаленные от оси симметрии счетчики 6 поступают AN импульсов. Счетчики 6 проводят суммирование поступающих импульсов в одной половине MAP и вычитание - в другой, в результате чего в их старших разрядах 10 будет записана информация, соответствующая первому слагаемому выражения (1).
На втором этапе обрабатывается код команды В ив счетчики записывается информация, соответствующая второму слагаемому в выражении (1), для управления состоянием всех секций фазовращателей. Вначале преобразователь 1 управляющими сигналами с выхода 15 устанавливает счетчики 6 в новое исходное состояние. На правой половине MAP в разряды 7 записываются единицы, разряды 8 и 9 обнуляются, а информация в старших разрядах 10 не изменяется. На левой половине MAP в разряды 7-9 записываются единицы, а в старших разрядах 10 к имеющейся информации добавляется единица. Запись таких кодов в счетчики 6 обеспечивает реализацию константы q2 ± 0.5 в выражении (1),
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2012. Вып. 2======================================
которая соответствует величине фазовых сдвигов ±22.5°, равных половине дискрета фазирования младших секций фазовращателя. Затем на вход координатно-множительного блока 5 с выхода преобразователя 1 поступает BN импульсов. На выходах блока 5 формируются последовательности импульсов с числом импульсов Bn аналогично рассмотренному на предыдущем этапе при реализации команды A. По окончании счета в счетчики 6 добавляется информация, соответствующая второму слагаемому выражения (1).
Для однолучевого сканирования с расширением ДН MAP на вход преобразователя команд поступают только команды управления B и C. Вначале идет обработка кода команды B, как описано ранее, в результате в счетчиках 6 оказывается записанной информация, соответствующая второму слагаемому выражения (1), обеспечивающая наведение луча в заданном направлении. Затем преобразователь команд 1 управляющими сигналами D-G переводит дешифратор 16 в режим формирования симметричного относительно центра фазового распределения (режим расширения луча). В этом случае на выходах F и G дешифратора 16 появляются единицы, которые устанавливают реверсивные счетчики 6 на обеих половинах MAP режим сложения.
С информационного выхода преобразователя 1 на вход координатного множительного блока 5 поступает CN импульсов. На выходах блока 5 формируются последовательности импульсов с числом импульсов в каждой из них Cn. Эти последовательности импульсов поступают на информационные входы счетчиков 6. Счетчики 6 в обеих половинах MAP суммируют поступающие импульсы, и по окончании счета в счетчики 6 добавляется информация, соответствующая третьему слагаемому выражения (1), что расширяет луч.
Во всех режимах по окончании счета на последнем этапе работы осуществляется перезапись управляющих сигналов из старших разрядов 8-10 счетчиков 6 через выходы 1113 в память фазовращателей. В итоге на раскрыве MAP реализуется требуемое фазовое распределение.
Устройство для управления MAP может быть реализовано либо на основе микроконтроллеров (PIC 17-й или 18-й серии), либо на основе ПЛМ-матриц. Все функциональные узлы структурной схемы устройства для управления MAP, показанные на рис. 5 и 6, могут быть описаны программно, в виде алгоритма (при реализации на PIC, микроконтроллере) или математических функций (при реализации на ПЛМ-матрицах).
Таким образом, можно сделать вывод о том, что рассмотренная многофункциональная антенная решетка обеспечивает режимы поиска, обнаружения объектов в заданном угловом секторе и последующего сопровождения одной цели или нескольких в случае использования в составе РЛС или прием-передачу сигналов в составе системы радиосвязи с возможностью выполнения радионавигационных задач.
Рассмотренная MAP может быть использована в составе комплексов спутниковой связи, радионавигации и радиолокации, размещенных на носителях стационарного и мобильного базирования.
Список литературы
1. Верба В. С. Aвиационные комплексы радиолокационного дозора и наведения. Состояние и тенденции развития. M.: Pадиотехника, 2008. 432 с.
2. Mногофункциональные антенные решетки с комплексным управлением (Mетоды параметрического синтеза) / Б. Д. Mануилов, П. Н. Башлы, M. Б. Mануилов и др. / PВИPВ. Pостов н/Д, 2009. 319 с.
3. Пат. RU 2169970 C2. MnK7 H01Q3/26. Способ энергетической оптимизации MAP с совместным формированием лучей / Б. Д. Mануилов, П. Н. Башлы, A. Б. Каменюк, С. В. Тугушев. Опубл. 27.06.2001. Бюл. № 18.
4. Башлы П. Н., Mануилов Б. Д. Синтез диаграмм направленности антенной решетки многофункциональной радиотехнической системы // Am^m:. 2006. № 4. С. 7-12.
M. R. Bibarsov
Military Academy of communication
V. A. Voloshina, S. V. Zemlynsky, B. D. Manuilov, V. V. Shatsky Military academy n. a. Peter the Great (branch on Rostov-on-Don) N. V. Shatsky
Section regarding defensive problem of department of defense Russian federation in Presidium of Russian academy of sciences
Research of characteristics of multi-functional array
For the integrated radio electronic complexes we consider a version of constructing a multifunctional AA providing a multimode kind of operation. The realization of the MAA is designed with the having discrete three digital phase shifters. We present the results of the numerical simulation.
Radio-electronic means, multifunctional antenna array, digital antenna array, directivity pattern, discrete phase shifter, phase distribution, control phase shifters, reversible counter, decoder
Статья поступила в редакцию 26 января 2011 г.
УДК 621.396.67
А. Д. Французов
ОАО «НПП "Радар ММС"» (Санкт-Петербург)
Проблемы конструирования сверхширокополосных антенн для излучения сверхкороткоимпульсных сигналов
Рассмотрена проблема расширения полосы согласования, возникающая при конструировании антенн для излучения сверхкоротких импульсов. Показано, что двухрупорная антенна Лалезари создает поле излучения на высоких частотах за счет излучения рупоров, а на низких частотах как симметричный вибратор. С учетом этой особенности удается, используя принцип композиции, сконструировать параметрический ряд антенн, имеющих существенно большую полосу согласования, чем исходная антенна Лалезари.
Двухрупорная антенна Лалезари, рупорная и вибраторная составляющие поля излучения, композиция рупорного и вибраторного излучателей, оптимизация формы вибраторного излучателя, параметрический ряд антенн
Проблемы конструирования сверхширокополосных (СШП) антенн для излучения сверхкороткоимпульсных сигналов определяются требованиями к таким антеннам. Как известно [1], излученный сверхкороткий импульс в дальней зоне дифференцируется, а его спектр смещается в область более высоких частот, поэтому антенна должна одинаково хорошо излучать исходный импульс и принимать продифференцированный импульс. Ан© Французов А. Д., 2012 9
