621.391.161
Подход к расширению сектора сканирования активных фазированных антенных решеток с линейно-частотно-модулированным широкополосным зондирующим сигналом
О. В. ВАСИЛЬЧЕНКО
Военная академия войсковой ПВО ВС РФ им. Маршала Советского Союза А. М. Василевского, Смоленск, Россия, e-mail: olegnio@yandex.ru
Проанализирован процесс формирования диаграмм направленности активных фазированных антенных решеток при излучении широкополосных линейно-частотно-модулированных сигналов. Установлены причины появления искажений диаграмм направленности, предложен подход к их устранению.
Ключевые слова: активная фазированная антенная решетка, диаграмма направленности, широкополосный зондирующий сигнал.
The analysis of process of formation of polar pattern of active phased antenna arrays at radiation of wideband linearly frequency modulated signals is carried out. The reasons of polar pattern distortions were established and the approach to their removal is suggested.
Key words: active phase antenna array polar pattern, wideband probing signal.
В последние годы высокими темпами развивается теория и практика применения радиолокационных станций (РЛС) на базе активных фазированных антенных решеток (АФАР). Если информация в таких РЛС обрабатывается в цифровом виде, то часто используют понятие цифровых антенных решеток. Подобные станции оснащают антенными системами, представляющими собой совокупность независимых антенно-приемных модулей, определенным образом ориентированных в пространстве, напряжения на выходах которых одновременно преобразуются в цифровой код и обрабатываются совместно в универсальных или специализированных ЭВМ. Эта совокупность, сведенная вместе, работает как единая система, позволяя при этом: проводить мгновенный обзор широкого сектора пространства благодаря преимуществам пространственной многоканальности; получать высокоточные результаты при измерении координат воздушных объектов за счет использования самых сложных алгоритмов цифровой обработки; одновременно измерять параметры большого числа объектов, находящихся в зоне наблюдения; обеспечивать разрешение воздушных объектов, находящихся в одном импульсном объеме по результатам анализа сигнала одновременно в нескольких каналах; эффективно адаптироваться к помехам, создаваемым большим количеством их источников; измерять параметры прикрываемых помехами объектов; значительно повышать уровень унификации РЛС различного назначения и частотных диапазонов.
В настоящее время в научной литературе содержится достаточно сведений о способах формирования диаграмм направленности АФАР и цифровых антенных решеток, особенностях обработки сигналов в них. Однако в подобных публикациях преимущественно рассматриваются вопросы, касающиеся излучения и приема такими РЛС узкополосных сигналов.
Вместе с тем, все большее распространение находят широкополосные сигналы, обеспечивающие высокую разрешающую способность по дальности.
Разрешающая способность по дальности без учета внутреннего шума приемника и других мешающих факторов определяется выражением
SD > с / Д£ (1)
где с — скорость света; Дf — ширина спектра зондирующего сигнала.
Так, при ширине спектра сигнала 1 ГГц можно обеспечить разрешающую способность по дальности 0,3 м. Сигналы с такими параметрами необходимы для решения многих задач радиолокации, связанных с выполнением прецизионных измерений, разрешением элементов сложных объектов, построением их дальностных портретов с целью распознавания и т. д.
Среди всего многообразия широкополосных сигналов в настоящее время наибольшее распространение получили линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) и кодофазомани-пулированные (КФМ) импульсы [1]. Это связано с относительной простотой их формирования и обработки, а также возможностью одновременного обеспечения необходимой энергии и разрешающей способности по дальности.
Вопросы использования широкополосных сигналов в аналоговых фазированных антенных решетках (ФАР) рассматривались достаточно широко. Так, в [2] отмечается, что при увеличении отклонения луча от нормали решетки происходит его существенное расширение, рост боковых лепестков и другие искажения, приводящие к потерям в дальности обнаружения, разрешающей способности по угловым координатам и точности их измерения.
Однако в целом проблемы, связанные с эффективностью обработки широкополосных сигналов даже в РЛС с
Рис. 1. Излучение ЛЧМ-сигнала Я-элементной антенной решеткой в направлении угла ¥
аналоговыми ФАР, в настоящее время изучены недостаточно. Много неясного остается в вопросах применения сигналов с шириной спектра порядка 1 ГГц в АФАР. В данной статье приводятся результаты исследований, касающихся применения подобных сигналов в РЛС с АФАР, анализируются искажения диаграмм направленности (ДН) антенн, предлагаются способы устранения таких искажений.
Пусть имеется Я-канальная линейная АФАР. Характеристики ее отдельных антенных элементов будем считать ненаправленными и идентичными. Амплитудно-частотные характеристики передающих и приемных модулей также будем полагать идентичными и неискаженными (способы оценки влияния указанных факторов на характеристики ФАР и АФАР в достаточной степени освещены в литературе по антенной технике и здесь не рассматриваются). Управление ДН в режимах передачи и приема осуществляется при помощи фазовращателей со сбросом фазы через 2п (наиболее распространенных устройств управления фазой).
Выражение, описывающее зондирующий ЛЧМ-радиоим-пульс, имеет вид
ú(t) = ae
- aej2n(fo + bt)t
o < t <т„
(2)
где ^ — несущая частота; Ь = Af / 2ти — индекс частотной модуляции; ти — длительность импульса; Af — девиация частоты.
Радиоимпульсы вида (2) излучаются АФАР в направлении фазирования, отклоненном от нормали решетки на угол ¥, при помощи создаваемого в фазовращателях линейного распределения фазы вида
-j2nf r sin ¥
Г = 0, ..., R - 1,
(3)
где б — расстояние между элементами; X — длина волны, соответствующая несущей частоте в момент начала импульса; г — номер элемента.
Для определенности будем полагать, что несущая частота увеличивается от начала к концу импульса. Точка приема зондирующего сигнала (направление на объект) отклонена от нормали антенны на угол 0.
Иллюстрация процесса излучения ЛЧМ-сигнала элементами решетки в направлении угла ¥ представлена на рис. 1. Из рисунка следует, что сигналы, излученные соседними элементами в направлении фазирования (и в направлении на объект, которое может не совпадать с направлением фазирования), будут проходить расстояния, отличающиеся на АЯ.
Для компенсацмм вызванного этммм разностямм хода набега фаз м обеспеченмя смнфазного сложенмя смгналов как раз м предназначен дополнмтельный поворот фаз вмда (3), форммруемый в фазовращателях. Однако спецм-фмка ЛЧМ-смгналов состомт в том, что прм вознмкновенмм разностм хода между смгналамм соседнмх элементов решет-км будут появляться отлмчмя не только в фазах, но м частотах этмх смгналов, что показано на рмс. 1 прм помощм лмнмм равных фаз (лмнмм, перпендмкулярной направленмю фазмро-ванмя). Частота смгналов, мзлучаемых соседнммм элемента-мм антенной решеткм, на лмнмм равных фаз будет отлмчать-ся на Afr . Электромагнмтной волне для прохожденмя рас-стоянмя AR требуется время AtY = (d/c) sin Для промзволь-ного направленмя 0 разность временм запаздыванмя будет подчмняться завмсммостм At = (d/c) sin 0. С учетом этого в точке пространства, отклоненной от нормалм решеткм на угол 0, закон мзмененмя амплмтуды зондмрующего смгнала будет мметь вмд
R _1
ú(t) = a ]=>xp[j2n (f0 + b(t + rAt)) (t + rAt)] exp[- j2n П r sin y],
(4)
0 < t < тм, r = 0, ..., R - 1.
Из аналмза выраженмя (4) можно сделать следующме выводы:
прм отклоненмм от нормалм антенны на угол 0 объект одновременно облучается R-смгналамм разных частот. Разность частот смгналов, прмшедшмх от каждой пары соседнмх элементов решеткм, составляет
Afr = 2b (d/c) sin 0;
за время мзлученмя ЛЧМ-радмоммпульса вследствме мз-мененмя несущей частоты промзойдет смещенме направле-нмя максммума ДН (по аналогмм с ФАР, мспользующммм частотное управленме дмаграммамм направленностм).
По указанным прмчмнам в точке наблюденмя будет мз-меняться амплмтуда падающей на объект волны, а значмт, м амплмтуда переотраженной волны.
На рмс. 2, 3 представлены результаты моделмрованмя процесса форммрованмя ДН в режмме передачм 16-каналь-ной АФАР. Девмацмя частоты ЛЧМ-смгнала Af = 1 ГГц. Несущая частота мзменялась от 9 до 10 ГГц. Шмрмна ДН прм мзлученмм в направленмм нормалм A0 = 8°.
Направленме фазмрованмя отклонялось от нормалм антенны на 30° (рмс. 2, г — е), 60° (рмс. 3, а — в) млм совпадало с ней (рмс. 2, а—в). Объект (точка прмема) располагался в пределах ± 15° от направленмя фазмрованмя с дмскретностью 1 На рмс. 2, а м 3, а показан закон мзмененмя модуля выраженмя (4) в завмсммостм от 0 м временм t; на рмс. 2, б м 3, б — закон мзмененмя модуля выраженмя (4) от временм для точ-км прмема, расположенной на направленмм фазмрованмя; на рмсунках 2, в м 3, в — ДН антенной решеткм в режмме «передача» для двух крайнмх частот спектра мсследовавше-гося ЛЧМ-смгнала (начало м конец ммпульса).
Из рмс. 2, а — в следует, что прм мзлученмм ЛЧМ-смгнала с выбраннымм параметрамм в направленмм нормалм антенны отклоненмя максммума ДН за время ммпульса не про-мсходмт. Вследствме мзмененмя соотношенмя d/X за это время шмрмна ДН антенны несущественно уменьшается (см. рмс. 2, в).
На рмсунках 2, г — е м 3, а — в прмведены аналогмчные результаты для ненулевых направленмй фазмрованмя,
подтверждающие, что при увеличении ¥ расширяется ДН антенны. Этот факт общеизвестен и объясняется уменьшением эффективной площади антенны в направлениях, отличных от нормали решетки. Кроме расширения ДН, наблюдается смещение положения ее максимума за время импульса от 3° для ¥ = 30° до примерно 12° при отклонении луча от нормали на ¥ = 60°. Это смещение в 1,5 раза превышает ширину главного лепестка ДН в направлении нормали и является основной причиной изменения амплитуды сигнала, попадающего на объект. Из рис. 2, д и 3, б следует, что при отклонении направления фазирования от
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.