Радиотехника и электроника, 2022, T. 67, № 9, стр. 868-874

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В работе [1] предложен подход к повышению быстродействия при работе по группе целей (под группой целей понимается совокупность целей, разрешаемых радиолокационной станцией (РЛС) по угловым координатам). При этом предполагалось, что при сокращении дальности до группы целей РЛС переходит от последовательного во времени контакта с каждой целью (подсвет и прием отраженного сигнала) к параллельному, когда осуществляется одновременный подсвет целей и параллельный во времени прием отраженных сигналов.

Для реализации этого подхода в работе [1] предложено осуществлять в режиме передачи одновременный подсвет целей за счет синтеза многолучевой диаграммы направленности фазированной антенной решетки (ФАР), а в режиме приема использовать цифровую приемную решетку с одновременным формированием цифровых лучей со своими цифровыми выходами для селекции каждой цели. Синтез многолучевой диаграммы на передачу исследован в [1] довольно подробно и прост в реализации. Однако формирование приемных лучей (по одному на каждую цель) с использованием цифровой антенной решетки является трудно осуществимым на практике, так как современные ФАР для РЛС сопровождения в Х‑диапазоне имеют большое количество излучателей [2] и соответствующих им элементарных приемных каналов.

В данной работе рассматривается другой подход к формированию лучей для параллельного во времени приема сигналов от группы целей и их угловой пеленгации, который основан на использовании аналоговой приемо-передающей ФАР.

2. СХЕМА ПОСТРОЕНИЯ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Рассмотрим как одну из возможных схему построения для работы по группе целей (рис. 1) с учетом решений, реализованных в ФАР Х-диапазона [2].

Возбуждение полотна осуществляется по эфиру. Полотно антенны содержит порядка ${{10}^{4}}$ элементов [2]. Антенный элемент имеет входной и выходной излучатели и ферритовый фазовращатель фарадеевского типа с рабочей круговой поляризацией. Блок излучателей (рис. 2) содержит передающий облучатель 1 и два симметрично расположенных комплекта приемных облучателей 2, 3.

Передающий облучатель 1 – это открытый конец волновода с расширяющимся вдоль своей оси поперечным сечением. Каждый приемный облучатель является сборкой рупоров [2] с тремя волноводными выходами, соответствующими суммарному и двум разностным каналам для реализации моноимпульсной пеленгации каждой цели. Передающий облучатель имеет горизонтальную поляризацию, приемные – вертикальную.

При движении нескольких целей в направлении РЛС, начиная с некоторой дальности, становится возможным их угловое разрешение. Если при этом дальность сокращается настолько, что возросшая мощность отраженных сигналов позволяет перейти к режиму работы по группе цели, то работа на передачу и прием осуществляется с формированием многолучевых диаграмм направленности (ДН). Передающий рупор излучает сферическую волну, которая при прохождении поляризатора изменяет горизонтальную поляризацию на круговую (рабочая поляризация фазовращателей). При прохождении волны через фазовращатель компенсируется сферический фазовый набег и формируется многолучевая ДН с числом лучей, равным числу целей.

На прием на раскрыве ФАР реализуется фазовое распределение, обеспечивающее разделение приходящих от группы целей волн по разным приемным каналам за счет их раздельной одновременной фокусировки по разным приемным облучателям. Поляризация этих волн после прохождения поляризатора преобразуется из круговой на вертикальную.

3. УПРАВЛЕНИЕ ФАЗОВЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ НА РАСКРЫВЕ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ В РЕЖИМЕ ПРИЕМА

По цепям управления в режиме приема полотно антенных элементов разбивается на вложенные подрешетки со случайным расположением элементов. Метод разбиения описан в работе [3]. Число подрешеток равно числу целей в группе. Число целей в группе не должно превышать число приемных облучателей.

Введем систему прямоугольных координат XYZ, связанную с раскрывом (рис. 3). Фазовое распределение q-й подрешетки ${{\Phi }_{q}}(x_{n}^{{(q)}},y_{m}^{{(q)}})$ имеет две компоненты:

где $\Phi _{q}^{{({\text{лин}})}}(x_{n}^{{(q)}},y_{m}^{{(q)}})$ – линейное фазовое распределение, обеспечивающее ориентацию приемного луча в направлении q-й цели, $\Phi _{q}^{{({\text{сф}})}}(x_{n}^{{(q)}},y_{m}^{{(q)}})$ – нелинейное фазовое распределение, обеспечивающее формирование сходящейся сферической волны, сфокусированной на q-й приемный рупор, $x_{n}^{{(q)}},y_{m}^{{(q)}}$ – координаты излучателей с номерами q-й подрешетки.

Фазовое распределение (1) обеспечивает формирование для каждого приемного луча суммарную и две разностные ДН, благодаря конструкции многорупорного приемного облучателя [2].

Остановимся подробнее на процедуре разбиения антенного полотна на Q вложенных подрешеток со случайным расположением элементов. Для этого перейдем от нумерации антенных элементов двумя числами $n \in \left( {1, \ldots ,N} \right)$ и $m \in \left( {1, \ldots ,M} \right)$ (номер столбца и номер строки) к сквозной нумерации одной последовательностью чисел $r \in \left( {1, \ldots ,R} \right)$, где $R = MN$. Чтобы разбить полотно ФАР на вложенные подрешетки, рассмотрим реализацию $R = MN$ случайных чисел ${{\eta }_{r}}$, равномерно распределенных на интервале [0,1].

Интервал разбиваем на Q интервалов длиной ${{L}_{q}}$:

Интервал ${{L}_{q}}$ пропорционален среднему числу элементов в q-й подрешетке. Если случайное число ${{\eta }_{r}}$ попадает на интервал ${{L}_{q}}$, то антенный элемент с номером $r$ относим к q-й подрешетке. Антенные элементы q-й подрешетки фазируем в направлении q-й цели. Линейное фазовое распределение в (1) приобретает вид

где $k = {{2\pi } \mathord{\left/ {\vphantom {{2\pi } \lambda }} \right. \kern-0em} \lambda }$ – волновое число, $\lambda $ – длина волны, Здесь ${{\theta }_{q}}$,${{\varphi }_{q}}$ – углы, характеризующие направление ориентации главного максимума луча q-й подрешетки.

Диаграмма направленности любого из трех моноимпульсных каналов q-й подрешетки с фазовым распределением (2) имеет вид

где ${{R}_{q}}$ – множество номеров $n,m,$ принадлежащие q-й подрешетке, $A\left( {x_{n}^{{(q)}},y_{m}^{{(q)}}} \right)$ – амплитудное распределение канала. Среднее значение диаграммы (4) определяем по формуле где

– ДН одного из трех моноимпульсных каналов однолучевой решетки с максимумом суммарного луча, ориентированного в направлении q-й цели;

– амплитудное распределение канала, ${{A}_{\Sigma }}$ – для суммарного канала, ${{A}_{{\Delta \varphi }}}$ – для разностного азимутального канала, ${{A}_{{\Delta \varepsilon }}}$ – для разностного угломестного канала.

Оценим, с какой дальности осуществляется использование алгоритма управления фазами (1). Из работы [3] следует, что при статистическом фазовом распределении на раскрыве, формирующем Q лучей с одинаковыми коэффициентами усиления, падение коэффициента усиления в каждом луче по отношению к однолучевому режиму пропорционально ${1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {{{Q}^{2}}}}} \right. \kern-0em} {{{Q}^{2}}}}$. Падение коэффициента усиления в каждом луче синтезированной передающей многолучевой диаграммы примерно пропорционально ${1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 Q}} \right. \kern-0em} Q}$. Поэтому суммарное уменьшение коэффициента усиления на передачу и прием пропорционально ${1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {{{Q}^{3}}}}} \right. \kern-0em} {{{Q}^{3}}}}$.

Для того чтобы не проиграть в потенциале РЛС, необходимо начинать работу с дальности, когда возрастающий уровень полезного сигнала скомпенсирует суммарное падение потенциала в режиме передачи и приема. В табл. 1 в зависимости от числа лучей приведены параметры РЛС, связанные с уменьшением потенциала.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ДИАГРАММНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Расчеты проводили применительно к ФАР, которая имеет ${{10}^{4}}$ антенных элементов, расположенных эквидистантно в $N = 100$ столбцах и $M = 100$ строках с одинаковыми междуэлементными расстояниями вдоль строк и столбцов ${{d}_{x}} = {{d}_{y}} = 0.6\lambda $ ($\lambda $ – длина волны). Антенную решетку по цепям управления разбиваем на вложенные подрешетки. Каждая подрешетка формирует суммарную и две разностные ДН для реализации амплитудного суммарно-разностного метода моноимпульсной пеленгации [4] в двух плоскостях XOZ, YOZ (см. рис. 3).

При проведении расчетов использовались идеализированные амплитудные распределения (7), которые не влияют на статистический характер формируемых ДН (4):

т.е. для суммарного канала амплитудное распределение является равномерным, для разностных-ступенчатым знакопеременным. Здесь $a$ – некоторая константа. Амплитудные распределения предполагались одинаковыми вне зависимости от номера канала q, поэтому ДН разных каналов отличались друг от друга только статистическим фоном.

Расчеты проводились для случая формирования четырех лучей. Лучи отклонялись в азимутальной плоскости YOZ (см. рис. 3). Реализации суммарных и разностных ДН для четырех лучей приведены на рис. 4–7 (шкала слева для суммарной (${{P}_{\Sigma }}\left( v \right)$) и разностной (${{P}_{{\Delta \varphi }}}\left( v \right)$) ДН по мощности). Обобщенные углы отклонения ${{v}_{q}}\left( {q = 1, \ldots ,4} \right)$ имели значения:

Там же приведены пеленгационные характеристики $\Pi \left( v \right)$ (шкала справа), которые вычисляли в соответствии с соотношением [4]

где ${{F}_{{q\Sigma }}}\left( v \right)$ и ${{F}_{{q\Delta \varphi }}}\left( v \right)$ – суммарная и разностные ДН в плоскости $u = 0$ (4), ${{\Phi }_{{q\Delta \varphi }}}$ и ${{\Phi }_{{q\Sigma }}}$ – фазовые характеристики этих ДН. На рис. 6 приведены суммарная и разностная ДН, пеленгационная характеристика для однолучевого режима.

Нормировка максимумов суммарных диаграмм на рис. 4–7 проведена относительно максимума суммарной диаграммы однолучевого режима. Разностные диаграммы в направлениях отклонения (9) не имели точных нулевых значений (отклонения приведены в табл. 2). Это объясняется тем, что из-за статистического характера расположения антенных элементов в каждой подрешетке число элементов на левой (y > 0) и правой (y < 0) половинках раскрыва не равны друг другу. Но глубина нуля достаточно большая. В табл. 2 приведены характеристики синтезированных ДН.

ВЫВОДЫ

1. Предложена конструкция приемо-передающей ФАР с формированием нескольких приемных лучей, имеющая суммарные потери коэффициента усиления на прием и передачу пропорциональные ${1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {{{Q}^{3}}}}} \right. \kern-0em} {{{Q}^{3}}}}$, где $Q$ – число формируемых лучей.

2. Ширина суммарной диаграммы направленности и крутизна пеленгационной характеристики каждого приемного канала такие же, как у однолучевой решетки. Данный результат достигнут за счет использования для каждого приемного канала расположения элементов по всему раскрыву антенной решетки. В результате полотно антенных элементов по цепям управления было разбито на $Q$ вложенных подрешеток.

3. Для исключения появления боковых лепестков большого уровня антенные элементы вложенных подрешеток расположены случайным образом на раскрыве.

4. Максимальное количество формируемых лучей определено количеством приемных облучателей. Изменение количества приемных лучей и их ориентации осуществляется оперативно по цепям управления антенными элементами.

5. Для снижения уровня боковых лепестков в направлениях на активные помехи можно использовать систему автокомпенсации помех [5] с введением дополнительных антенн в каналы автокомпенсации.

6. Подчеркнем, что подрешетки используют пространственное возбуждение антенных элементов. Использование фидерного возбуждения приводит к очень сложной, трудно реализуемой конструкции фидерной разводки.