Метод снижения дифракционных лепестков в плоской цифровой антенной решетке с неэквидистантным размещением фазовых центров групп подрешеток

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Метод снижения дифракционных лепестков в плоской цифровой антенной решетке с неэквидистантным размещением фазовых центров групп подрешеток

С.Е. Мищенко, В.В. Задорожный

ФГУП РНИИРС, Ростов-на-Дону, Россия

Аннотация

Рассмотрена модель плоской приемной цифровой антенной решетки (ЦАР), состоящей из идентичных подрешеток. Предложен метод снижения уровня дифракционных лепестков (ДЛ) в ЦАР за счет объединения соседних подрешеток в группы при цифровом формировании диаграммы направленности (ДН) и изменении периодичности положений фазовых центров групп подрешеток ЦАР.

Ключевые слова: антенная решетка; подрешетка: дифракционные лепестки; диаграмма направленности; фазовый центр.

THE METHOD OF DECREASING GRATING lobes IN PLANAR DIGITAL antenna array WITH NONequidistant SUBARRAY PHASE CENTERS

Abstract. The paper describes model of flat digital antenna array (DAA) composed of identical modules. The method for grating lobe (GL) suppression in DAA due to irregular arrangement of subarrays phase centers with digital beam forming is suggested and researched.

Keywords: antenna array; subarray; grating lobes; pattern; phase center.

Введение

ЦАР с системой цифрового диаграммобразования (ЦДО) обладают рядом преимуществ перед антенными решетками с системой аналогового диаграммообразования. В частности, система ЦДО позволяет сформировать требуемое число приемных лучей с заданными характеристиками направленности, реализовать электронное сканирование [1]. Однако построение многоэлементных ЦАР с подключением активных каналов, включающих в себя малошумящий усилитель (МШУ), преобразователь. частоты (ПРЧ) и АЦП к каждому антенному элементу характеризуется высокой стоимостью из-за большого количества активных компонентов.

С целью снижения стоимости ЦАР используют объединение излучателей в синфазные антенные линейки с подключением к такой линейке одного активного канала. Это сопровождается увеличением шага расположения фазовых центров и снижением допустимого сектора сканирования ДН из-за уменьшения периода ДЛ.

Для снижения уровня ДЛ используют ряд методов, таких как нерегулярное расположение излучателей [2, 3], поворот и сдвиг подрешеток друг относительно друга [4], Применение методов нерегулярного расположения излучателей и размеров подрешеток снижает технологичность изготовления модульных ЦАР, поэтому эти методы находят ограниченное применение. Более широкое применение имеют методы взаимного сдвига и поворота подрешеток.

Цель статьи - Снижение дифракционных лепестков в модульных ЦАР, в которых число активных каналов соответствует числу модулей.

Решаемые задачи.

1 Построение модели ЦАР с периодическими подрешетками и оценка параметров ДН при электронном сканировании.

2 Разработка метода снижения ДЛ в плоской приемной ЦАР на основе объединения идентичных подрешеток в апериодическую систему

3 Оценка возможности снижения уровня ДЛ.

Модель ЦАР из нескольких подрешеток

Рассмотрим приемную ЦАР, которая состоит из приемных модулей (ПМ), в каждом из которых имеется аналоговых каналов, включающих фазовращатель ФВР, выходные сигналы каналов суммируются в сумматоре . Каждый аналоговый канал подключен к синфазной антенной линейке с антенными элементами (АЭ). Выходные сигналы ПМ преобразуются по частоте в ПРЧ и подвергаются дискретизации в АЦП. Формирование ДН производится путем цифровой обработки отсчетов сигналов с выходов АЦП в системе ЦДО (рис.1). Антенные элементы в антенных линейках расположены с шагом по горизонтали и по вертикали.

дифракционный лепесток антенная решетка

Рис. 1. Структурная схема ЦАР с аналоговыми синфазными подрешетками.

В отличие от антенной решетки с аналоговой системой диаграммообразования система ЦДО обеспечивает возможность одновременного формирования требуемого числа приемных лучей, отличающихся направлением в пределах ширины ДН подрешетки. Возможное число формируемых приемных лучей ограничено пропускной способностью системой ЦДО.

Представим ДН модуля ЦАР выражением

 (1)

Здесь ? координаты фазового центра -го модуля; ? точка наблюдения в круге видимости; ? ДН отдельного АЭ; ? направление ориентации максимума -ой подрешетки (модуля); ? координаты фазовых центров элементов подрешетки относительно фазового центра соответствующей подрешетки.

Обозначим

. (2)

При этом ДН подрешетки можно представить в виде:

. (3)

Каждая подрешетка представляет собой антенну с фазовым центром в соответствующей точке . В связи с этим ее ДН может быть представлена в виде произведения действительной функции с максимумом в направлении и фазового множителя.

В общем случае, когда максимумы подрешеток не совпадают, суммарную ДН ЦАР можно представить в виде:

. (4)

При суммировании разнонаправленных ДН подрешеток уровень результирующей ДН будет зависеть от того, с какими фазами будут суммироваться в разных направлениях основные и боковые лепестки различных подрешеток. Эти фазы зависят от положения каждой подрешетки в составе ЦАР. Если основные лепестки подрешеток не пересекаются, то норма результирующей амплитудной ДН может быть соизмерима с нормой отдельной подрешетки.

Рассмотрим частный случай, при котором

. (5)

В этом случае действительные функции , описывающие ДН подрешеток, совпадают и могут быть вынесены за знак суммы в выражении (4). В результате получим:

. (6)

Выражение (6) соответствует ДН плоской антенной решетки с направленными элементами, шаг которой не удовлетворяет условиям отсутствия дифракционных максимумов. Направление максимума ДН подрешеток устанавливается фазовращателями ПМ, а направление суммарного луча определяет система ЦДО.

Очевидно, что такая система с двухэтапным управлением положениями максимума ДН подрешетки и ДН ЦАР будет иметь ограничения, накладываемые на сектор сканирования ЦАР и положение максимума подрешетки. Эти ограничения зависят от выбранных периодов размещения элементов в подрешетках и способов объединения подрешеток в общий раскрыв. В связи с этим оценим характеристики ДН приемной ЦАР Х-диапазона, состоящей из =63 ПМ, размещенных в узлах прямоугольной сетки 9х7.

Подрешетки ЦАР содержат по одному ПМ, фазовые центры подрешеток совпадают с фазовыми центрами ПМ и расположены эквидистантно вдоль каждой координаты с шагом соответственно (рис. 2). Точками обозначены положения фазовых центров антенных элементов, а окружностями ? положения фазовых центров подрешеток, прерывистой линией показаны границы отдельных ПМ.

Рис. 2. Геометрия ЦАР и положения фазовых центров модулей

Для рассматриваемого варианта раскрыва ЦАР выражение (6) может быть переписано в виде:

, (7)

где =9; =7;

. (8)

Сечение суммарной ДН ЦАР и ДН отдельных подрешеток в горизонтальной плоскости случая совпадении подрешеток с ПМ приведено на рисунке 3. Максимум ДН подрешеток в горизонтальной плоскости установлен в направлении 15°. Сектор допустимого сканирования суммарной ДН составляет и относительно максимума ДН подрешетки соответственно при уровне ДЛ, равном -12 и - 10 дБ, где - ширина ДН одной подрешетки.

Рис. 3. Сечение ДН, формируемых отдельными подрешетками и суммарной ДН ЦАР при отклонении луча в горизонтальной плоскости

Обоснование метода ослабления ДЛ в плоской приемной ЦАР на основе объединения идентичных подрешеток в апериодическую систему

Снижение уровня ДЛ можно достигнуть с помощью применения нерегулярного расположения антенных элементов [2]. Однако для сохранения технологичности производства ЦАР необходимо иметь фиксированные размеры ПМ и шаг расположения антенных элементов.

Предлагаемый метод основан на смещении фазовых центров подрешеток при их объединении.

Рассмотрим две соседние подрешетки, которые реализуют способ ЦДО, описанный выше. В этом случае в каждой из подрешеток фазовращатели обеспечивают линейный набег фаз от излучателя к излучателю подрешетки таким образом, чтобы ориентация вектора нормали к плоскости фазового фронта подрешетки соответствовала направлению максимума ДН подрешетки. Чтобы объединить две подрешетки в одну необходимо таким образом установить фазовый набег в подрешетках, чтобы фазовый фронт объединенной антенны стал линейным. Это достигается тем, что к фазовому распределению одной подрешетки добавляется постоянный фазовый набег, а из второй подрешетки вычитается соответствующее значение.

Поскольку каждая подрешетка представляет собой прямоугольный раскрыв, то фазовые набеги в излучателях подрешетки вдоль каждого координатного направления можно рассматривать незавимо. Пусть фазовый набег в двух соседних одинаковых подрешетках ЦАР по горизонтали определяется выражением

, (9)

где ? номер подрешетки; ; ? число элементов в подрешетке.

В этом случае фазовый набег между соседними излучателями равен

. (10)

Из выражения (9) следует, что фазовое расстояние между ближайшими элементами соседних подрешеток равен

. (11)

Очевидно, что фазовый набег между соседними элементами может существенно превышать . Чтобы совместное распределение фаз в двух подрешетках стало линейным, необходимо в излучателях двух соседних подрешеток изменить фазовое запаздывание таким образом, что

; (12)

. (13)

При этом получим, что .

Фазовые задержки, добавленные в выражения (12) и (13), по сравнению с (9) невозможно реализовать при помощи фазовращателей, однако в системе с ЦДО выравнивание фазовых распределений в соседних подрешетках не составляет сложностей. В результате ДН двух соседних подрешеток будет соответствовать ДН антенны удвоенных электрических размеров, фазовый центр раскрыва которой расположен в центре раскрыва. Результатом смещения фазового центра двух подрешеток в плоском раскрыве является двукратное уменьшение минимального расстояния между фазовыми центрами подрешеток.

Отсюда следует, что объединение идентичных подрешеток ЦАР в группы со смещением фазового центра позволяет получить неэквидистантную АР без физического смещения антенных элементов.

Возможности формирования неэквидистантного раскрыва зависят от числа идентичных ПМ в составе плоской ЦАР. В качестве примера на рисунках 4 и 5 приведены возможные варианты неэквидистантных раскрывов, получаемых при различных объединениях соседних подрешеток.

Как видно из рисунков 4 и 5, объединение подрешеток приводит к фактическому сокращению числа активных каналов. Число фазовых центров, в которых необходимо задавать фазовый набег, соответствующий положению максимума в системе ЦДО сократился с 63 до 51 для первого варианта раскрыва и до 47 ? для второго.

В результате объединения подрешеток в группы ЦАР будет состоять из групп подрешеток. Каждая группа может иметь свою собственную ДН и собственное положение максимума ДН, описываемую функцией . Обозначим ? фазовые центры групп подрешеток. В результате суммарная ДН ЦАР с неэквидистантным размещением фазовых центров подрешеток может быть определена по формуле

. (14)

Рис. 4. Первый вариант неэквидистантного расположения фазовых центров подрешеток

Рис. 5. Второй вариант неэквидистантного размещения фазовых центров подрешеток

Таким образом, предлагаемый метод ЦДО в плоских ЦАР из идентичных подрешеток состоит в том, чтобы разработать одну или несколько реализуемых структур размещения положений фазовых центров групп подрешеток при объединении подрешеток и задать фазовые подставки в объединяемых подрешетках, обеспечивающие формирование плоского фазового фронта при сканировании в группе из подрешеток.

Следует отметить, что в процессе функционирования ЦАР могут использоваться различные структуры неэквидистантного размещения фазовых центров групп подрешеток с целью изменения структуры и уровня ДЛ в ДН при различных положениях луча.

Оценка возможности снижения уровня ДЛ

Оценим возможности ослабления ДЛ в ЦАР с неэквидистантным размещением фазовых центров групп подрешеток на примере вариантов группировки представленных на рисунках 4 и 5.

На рисунке 6 приведено сечение ДН подрешеток и ДН ЦАР в горизонтальной плоскости для предложенного варианта геометрии ЦАР. Поскольку подрешетки имеют разную ширину ДН, то ориентировать максимумы ДН подрешеток, размеры которых соответствуют одному (узкая подрешетка) или двум ПМ (широкая подрешетка), можно в разных направлениях, но смещение максимума широкой подрешетки следует выполнить не более чем на полуширину луча данной подрешетки относительно максимума ДН узкой подрешетки.

Рис. 6. Сечение ДН подрешеток и суммарная ДН АР с ЦДО и отклонении луча в горизонтальной плоскости для первого варианта размещения фазовых центров

Предложенный первый вариант расположения фазовых центров подрешеток (рис.4) обеспечивает снижение уровня ДЛ на 2 дБ до - 12 дБ при снижении количества подрешеток на 19% с 63 до 51.

При сохранении числа ПРЧ и АЦП равным числу ПМ объединение подрешеток выполняется в цифровом виде в системе ЦДО без изменения схемы соединений ПМ. Возможно снижение стоимости ЦАР за счет сокращения числа ПРЧ и АЦП по количеству подрешеток. В этом случае необходимо изменение схемы соединения ПМ и включения дополнительных аналоговых сумматоров, объединяющих выходные сигналы ПМ из одной подрешетки.

Другой вариант объединения пар ПМ в подрешетки и расположение фазовых центров подрешеток приведен на рис. 5. Реализация этой схемы объединения обеспечивает снижение числа подрешеток на 25,3% с 63 до 47. При этом обеспечивается снижение уровня первого ДЛ до -16 дБ (рис. 7).

Рис. 7. Главные сечения ДН подрешеток и суммарная ДН АР с ЦДО и отклонении луча в горизонтальной плоскости для второго варианта размещения фазовых центров подрешеток

Отсюда следует, что предложенный метод позволяет снизить УБЛ в приемных ЦАР с ЦДО, изменять структуру боковых лепестков в зависимости от положения луча и складывающейся помеховой обстановки. Наилучшие результаты были получены при условии совпадении направлений фазирования ПМ и групп подрешеток с узкой ДН.

Заключение

1 На основе построенной модели показано, что ограничение сектора сканирования в приемной ЦАР при равенстве числа активных каналов числу модулей вызвано ростом ДЛ. Применение системы ЦДО в плоских приемных ЦАР с регулярными подрешетками позволяет формировать требуемое число лучей с разными направлениями в пределах ширины ДН используемых подрешеток . Расчетные ДН показывают, что допустимый сектор сканирования суммарной ДН, формируемой цифровым способом, определяется размером подрешеток и составляет и относительно максимума ДН подрешетки соответственно при уровне дифракционных лепестков, равном -12 и - 10 дБ.

2 Предложен метод снижения ДЛ в рассматриваемых ЦАР за счет объединения подрешеток в группы со смещением фазовых центров каждой группы подрешеток. Для реализации метода необходимо в излучателях подрешетки группы обеспечить фазовую подставку, выравнивающий фазовый фронт группы подрешеток. Наилучшие результаты были получены при условии совпадении направлений фазирования ПМ и групп подрешеток с узкой ДН.

3 Проведенные оценки для двух вариантов объединения подрешеток в группы показали, что снижение уровня ДЛ при электронном сканировании суммарной ДН до уровня - 16 дБ возможно путем использования перемежающихся подрешеток с расстоянием между фазовыми центрами 3…6, при этом формирование размера подрешетки выполняется в цифровом виде в системе ЦДО.

Литература

1. Задорожный В.В., Ларин А.Ю., Оводов О.В., Христианов В.Д. Оптимизация приемных цифровых антенных решеток // Антенны. 2012. № 9. - C.24 - 31.

2. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Д.И. Воскресенского. ? М.: Радиотехника, 2012. - 744 с.

3. Андрианов В.И., Козлов К.В., Курочкин А.П., Цветкова М.А. Способ снижения уровня интерференционных боковых лепестков в плоской сканирующей разреженной антенной решетке // Радиотехника. 2013, № 1. - C. 97- 100.

4. Кривошеев Ю.В., Денисенко В.В., Шишлов А.В. Подавление интерференционных максимумов в апериодических фазированных антенных решетках, составленных из периодических подрешеток // Антенны. 2011, вып.2. - C. 28- 39.

References

1. Zadorozhnyy V. V., Larin A. U., Ovodov O. V., Xristianov V.D. Optimization of receiver digital antenna array // Antenna, 2012, No. 9. - Pp. 24-31.

2. Microwave device and antenna. Design of phased antenna arrays / Pod red. D.I. Voskresenskogo. - M.: Radiotehnika, 2012. - 744 p..

3. Andrianov V.I., Kozlov K.V., Kurochkin A.P., Tsvetkova M.A. A new method of the interferential lobes level reducing in the planar aperture scanning sparse antenna array // Radiotehnika. 2013, No. 1. - Pp. 97- 100.

4. Krivosheev Yu.V., Denisenko V.V., Shishlov A.V. Grating Lobes Suppression in Aperiodic Phased Array Antennas Composed of Periodic Subarrays // Antenna, 2011, No. 2.- Pp.28 - 39.

Размещено на Allbest.ru