Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

Типовой подход к проектированию антенной решетки состоит из нескольких этапов. На первом этапе, опираясь на классическую теория антенных решеток, находят оптимальные амплитудно-фазовые распределения токов в излучателях решетки. Значения амплитуд и фаз могут быть произвольными и оптимальными в смысле обеспечения, например, минимального уровня боковых лепестков при заданной ширине диаграммы направленности и обеспечивающими произвольное положение луча в пространстве. Вопросы конструктивной реализуемости таких распределений при этом не рассматриваются. На втором этапе разрабатывается делитель, который дает необходимое амплитудное распределение с некоторой ошибкой, которая может быть уменьшена только ценой усложнения конструкции. На третьем этапе, который может идти параллельно со вторым, непрерывное фазовое распределение заменяют дискретным, выбирают дискрет фазы и число фазовых состояний у фазовращателей. При этом также точность установки фаз приводит к росту сложности конструкции. Сложность конструкции приводит к росту стоимости производства и настройки изделия, а также к нестабильности его работы при внешних воздействиях (температурных, вибрационных и т.п.). В итоге теряется теоретическая оптимальность антенной решетки.

Другой подход состоит в том, чтобы уже на этапе проектирования учитывать имеющиеся технические возможности и существующий уровень производства. Строится теоретическая модель антенной решетки, в которую входят реальные конструктивные параметры: число состояний и дискрет фазы фазовращателей, технологичный базовый элемент, который будет использован в конструкции делителя. Дальнейшие задачи проектирования решаются как задачи численной оптимизации, находятся оптимальные схема делителя и закон управления фазовращателями. При таком подходе обеспечивается возможность практической реализации оптимальной конструкции.

На практике получили распространение фазированные антенные решётки с фиксированным амплитудным распределением и дискретным управлением фазами токов излучателей.

Амплитудная диаграмма направленности решётки имеет вид:

,

где N - число излучателей в решётке, Ii - амплитуда тока i-го излучателя,

φi - фаза тока i-го излучателя, , ,

Δφ- дискрет фазы, M - число состояний фазовращателя,

 xi- координата i-го излучателя, , d - шаг решётки.

Нами рассмотрена задача поиска оптимального фазового распределения на дискретном множестве фазовых состояний.

При этом от сканирующей решётки требуется формирование луча в заданном направлении и минимальные значения диаграммы направленности в направлениях прихода помех. Понятно, что степень подавления помех зависит как от параметров решётки: её геометрии, числа излучателей, величины дискрета фазы, так и от взаимного углового положения луча и помех.

Введём допустимый относительный уровень помех  и разделим множество Q на два непересекающихся подмножества . Одно из них Q1 содержит такие фазовые распределения, для которых относительный уровень помех меньше допустимого, а другое Q2 - фазовые распределения, не обеспечивающие выполнение этого условия.:

Под оптимальным дискретным фазовым распределением понимается такое, для которого максимальный уровень в направлениях помех будет минимальным. А если он станет меньше допустимого, то будет взят закон с максимальным усилением в направлении полезного сигнала. Математически это определяется следующим образом:

.

Оптимальное делительное устройство антенной решетки должно удовлетворять ряду требований: образующиеся на его выходах амплитуды волн обеспечивают необходимые характеристики антенны, выходные каналы развязаны, чем устраняются нежелательные внутренние связи между излучателями решетки; конструкция делителя технологична и проста.

Критерием оптимальности взят относительный уровень боковых лепестков

Где сектор определения боковых лепестков:

Таким образом, требуя уменьшения уровня поля в области боковых лепестков, мы автоматически заставляем антенну формировать луч от 0 до начальной границы этой области.

 

В качестве базового элемента, обеспечивающего выполнение двух последних требований, нами выбран 3-х децибельный кольцевой резистивный делитель мощности. При соединении таких элементов в схему делительного устройства можно получить достаточно разнообразные амплитудные распределения по излучателям. Однако эти распределения таковы, что выходные волны являются целыми степенями, а суммарная мощность передатчика остается постоянной, т.е.

Предложен алгоритмический способ описания таких двоичных делительных схем путем введения вектора структуры делителя Р.

При варьировании элементов вектора структуры делителя вычисляется показатель оптимальности конструкции и находится оптимальная схема делителя

Приведенные в докладе примеры решения оптимизационных задач показывают, что разработанные алгоритмы управления дискретными фазовращателями позволяют осуществлять сканирование лучом при наличии помех, обеспечивая улучшение соотношения сигнал/помеха.

Реализованные алгоритмы оптимизации двоичных делительных схем показали возможность построения конструктивно простых делителей с необходимыми на практике параметрами диаграмм направленности.