Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Моделирование процесса компенсации отказавшего активного модуля афар 14
1.1 Постановка задачи , 14
1.2 Восстановление ДН АФАР в азимутальной плоскости 17
1.3 Выбор способа осуществления амплитудной компенсации отказавшего AM 20
1.4 Компенсация искажений ДН АФАР в угломестной плоскости . 24
1.5 Совместная амплитудно-фазовая компенсация искажений ДН АФАР 28
1.6 Особенности фазового метода коррекции отказавшего AM 35
1.7 Сравнение теоретических результатов с экспериментальными данными 45
Глава 2 Характеристики антенных решеток при множественных отказах активных модулей . 50
2.1 Особенности методики амплитудной и фазовой компенсаций при выходе из строя большого числа AM 50
2.2 Диаграммы направленности и СКУ боковых лепестков при амплитудной и амплитудно-фазовой компенсациях отказавших AM 56
2.3 Среднеквадратичный УБЛ при амплитудно-фазовой компенсации отказавших AM и варьировании шага решетки в угломестной плоскости 61
2.4 Среднеквадратичный УБЛ и ДН АФАР при смене амплитудного распределения по раскрыву АР 72
2.5 Коэффициент направленного действия АФАР при отказах AM 79
Глава З Разностные дн афар при отказах активных модулей и их компенсации 86
3.1 Постановка задачи 86
3.2 Восстановление суммарных и разностных ДН АФАР при отказах AM и различных амплитудных распределениях по раскрыву АР 86
3.3 Суммарные и разностные ДН АФАР при сканировании 94
Выводы 98
Заключение 100
Список литературы 103
Приложение 1 106
- Восстановление ДН АФАР в азимутальной плоскости
- Диаграммы направленности и СКУ боковых лепестков при амплитудной и амплитудно-фазовой компенсациях отказавших AM
- Среднеквадратичный УБЛ и ДН АФАР при смене амплитудного распределения по раскрыву АР
- Восстановление суммарных и разностных ДН АФАР при отказах AM и различных амплитудных распределениях по раскрыву АР
Введение к работе
Общая характеристика работы
Особенность настоящего времени - переход к созданию многофункциональных комплексов наземных и бортовых радиотехнических систем на основе новых технических решений, повышающих уровень функциональной интеграции аппаратуры, в том числе путем применения в них активных фазированных антенных решеток (АФАР).
В зависимости от решаемых задач такие антенные системы содержат от сотен до нескольких тысяч активных модулей (AM). В связи с этим вероятность выхода из строя (отказов) AM по сравнению с пассивной фазированной антенной решеткой (ФАР) - повышается. Соответственно встают вопросы обеспечения работоспособности АФАР в подобных условиях.
Диссертационная работа посвящена комплексному исследованию восстановления характеристик направленности и энергетических параметров модульных АФАР многофункциональных радиосистем при отказах AM.
Осуществлены выбор и обоснование метода восстановления характеристик направленности АФАР при отказах AM, стоящих в канале каждого излучателя.
На основе компенсационного метода разработана методика коррекции в реальном масштабе времени амплитудно-фазового распределения (АФР) по раскрьтву антенной решетки (АР) с использованием соседних работоспособных излучателей при отказах AM (излучателей) *.
Математическое моделирование процесса восстановления диаграммы направленности (ДН) АФАР при различных законах амплитудного распределения по раскрыву АР и конфигурации расположения отказавших излучателей проведено на основе общей теории фазированных антенных решеток и методов численного моделирования характеристик АФАР с использованием ЭВМ,
* В дальнейшем в зависимости от характера изложения материала вместо "отказ AM (излучателя)" будем писать - "отказ излучателя" либо "отказ AM".
Развиваемый метод и математические модели узлов АФАР применимы для АР с любой конфигурацией расположения излучателей независимо от назначения радиосистемы и условий эксплуатации. Подобные модели реализованы в виде программно-математического обеспечения процесса проектирования АФАР с использованием ЭВМ.
При комплексировании функций, выполняемых современными
радиолокационными станциями различного базирования и системами космической
связи, АФАР с регулируемым уровнем излучаемой (принимаемой) мощности и
управляемыми характеристиками направленности являются наиболее
перспективными антенными системами. Помимо реализации
многофункционального режима работы, адаптации к конкретным условиям в окружающей целевой и помеховой обстановке, они позволяют снизить вероятность перехвата сигналов для ограничения возможности радиопротиводействия.
Выполнение таких функций связано не только с выбором схемы построения АФАР и оптимизацией параметров её узлов, но также с обеспечением низкого (сверхнизкого) уровня боковых лепестков (УБЛ) для повышения помехозащищенности, а в случае моноимпульсных РЛС - с необходимостью как можно более высокой крутизны характеристики направленности в пеленгационном направлении. Поэтому развитие теории и методов восстановления характеристик направленности АФАР при отказах AM с учетом тактической ситуации работы радиокомплекса, приобретают важное (первостепенное) значение.
Актуальность работы обусловлена требованиями восстановления характеристик направленности (работоспособности) АФАР в реальном масштабе времени при отказах AM и поддержания энергетических параметров близкими к предельным, что может быть достигнуто на основе развития компенсационного метода коррекции амплитудно-фазового распределения по раскрыву АР.
Анализ состояния проблемы
Характерной особенностью АФАР является наличие в тракте каждого излучателя приемо-передающих AM, включающих: усилители, усилительно-умножительные цепи, преобразователи частоты на активных приборах, цифровые платы управления, контроля и стабилизации параметров и характеристик АФАР и ДР. [1,2].
С течением времени при эксплуатации АФАР возможны ухудшения их характеристик из-за отказов AM в случае выходов из строя каких-либо активньтх элементов, блоков питания или существенного отклонения их параметров от номинальных значений. Подобные отказы AM приводят к искажению АФР по раскрыву приемо-передающей АФАР и, как следствие, к возрастанию УБЛ, снижению КНД и потенциала АФАР, ухудшению отношения сигнал/шум, что влияет на предельные характеристики радиосистемы. Степень искажения зависит от числа отказавших излучателей и от их расположения по полотну АР. Кроме того, "старение" AM и избыточная температура вносят свой вклад в такие отказы. Так как в режиме приема требования к УБЛ весьма жесткие \УБЛ <-40 ... -50 дБ), то
отказ даже одного AM АФАР средних размеров может привести к существенному росту УБЛ (выше допустимого уровня).
Известны следующие подходы к восстановлению нормального функционирования АФАР с отказавшими AM:
Замена отказавших AM.
Адаптация АФАР к отказам AM с целью минимизации в том или ином смысле влияния вышедших из строя AM на характеристики антенной системы:
Синтез новых "оптимальных" ДН АФАР с использованием оставшихся работоспособных излучателей после множественных отказов [3...5].
Применение методов компенсации, направленных на улучшение характеристик АФАР при наличии внешних интерференционных источников [6, 7].
Компенсация отказавших AM путем корректировки амплитуд и фаз токов (полей) соседних излучателей [8].
7 При первом подходе необходимо прекращение функционирования АФАР и проведение соответствующих ремонтно-восстановительных работ после отказа и -го количества излучателей или, если это предусмотрено и доступно, осуществить
замену в рабочем режиме в допустимое время (f ^10 ... 20 мин) т -го количества
излучателей, объединенных конструктивно в пакет (кассету) или целую "строку" ("столбец") АР. Это возможно, если радиосистема с АФАР допускает кратковременную работу с ухудшенными характеристиками. Для этой цели используются манипуляторы [9], представляющие собой механические устройства с большим количеством разнообразных приводов.
Второй подход обеспечивает функционирование АФАР со значительным количеством отказавших AM. Так в работах [3...5] рассматриваются методы синтеза новых "оптимальных" ДН с использованием оставшихся работоспособных излучателей. Разработаны алгоритмы, учитывающие характер расположения по полотну АР отказавших излучателей, которые выдают повторно конфигурированное распределение по раскрыву АР, минимизируя отношение усредненного уровня максимальных значений боковых лепестков к мощности в главном луче.
Минимизация этого отношения, наиболее полно представленная в работе [3], выполнена на основе градиентного метода. При этом алгоритм минимизации синтезирует амплитуду и фазу каждого из оставшихся работоспособных излучателей. Приводится пример восстановления ДН гексагональной АР с числом излучателей # = 31 и шагом J = 0,6A при трех отказавших излучателях, расположенных вблизи периферии АР. Амплитудное распределение - спадающее с пьедесталом Ъ = 0,1, реализующее У БД = -35 дБ.
Измеренная ДН АФАР по мощности до отказов AM имеет уровень максимального бокового лепестка УБЛтях — -30,9 дБ и максимальный коэффициент
усиления GmiX = 20,8 дБ. Главный луч осесимметричен с шириной ДН по
половинной мощности 2#0S= 12,86. Эффект отказов - увеличение уровня
максимального бокового лепестка до УБЛтах = -Ті,А дБ и уменьшение
8 максимального коэффициента усиления до Gmax = 20,5 дБ. Сечение главного луча
становится слегка эллиптическим. В синтезированной ДН УБЛтгсі = —31,3 дБ и
^=19,5 дБ. Главный луч также имеет эллиптическое сечение с минимальной
шириной ДН по половинной мощности 2805 =13,7 Г и максимальной 2в05 =16,20.
Как и ожидалось, при уменьшении УБЛ происходит соответствующее увеличение ширины главного луча и снижение коэффициента усиления.
При этом выявлено, что излучатели, имеющие больший относительный "вес", более трудны при компенсации, чем излучатели с меньшим "весом". Кроме того, сгруппированные отказавшие излучатели более легки при компенсации за счет переконфигурирования АФР, чем такое же число случайно расположенных по полотну АР отказавших излучателей. Это связано с тем, что сгруппированный отказ излучателей приводит к увеличению УЕЛ в определенной угловой области в отличие от отказов излучателей, расположенных по полотну АР случайным образом. Подобное происходит при компенсации отказа целого ряда (столбца) излучателей по сравнению с компенсацией того же количества случайно расположенных по полотну АР отказавших излучателей. Таким образом, степень компенсации зависит как от числа, так и от местоположения отказавших излучателей.
Показано, что методы переконфигурирования АФР [3...5] могут обеспечить работоспособность АФАР при отказах до 30% излучателей.
Методы компенсации отказавших AM в цифровой диаграммоформирующей приемной АФАР [6, 7] обеспечивают воспроизведение сигналов отказавших AM путем замены их сигналами, созданными из сигналов работоспособных AM, Алгоритм использует тот факт, что в относительно большой периодической АР сигналы, полученные на выходе любого далеко расположенного излучателя, подчиняются этой периодичности и являются связанными комплексной (точнее, фазовой) константой.
9 Так, если на линейную равноамплитудную эквидистантную АФАР с шагом d падает одиночная плоская волна р, то при известном угле падения 9р (или, что то
же самое, известном линейном законе изменения фазы Ц/р по раскрыву АР)
выходной сигнал w-го излучателя с комплексной амплитудой Ар, обусловленный падающей волной, будет
где^=— dsin9p, ар
Тогда требуемый сигнал при отказе т -го излучателя может быть представлен в "терминах" компонентов цифрового сигнала в любом и-ом излучателе как
К =(i;)eJЛVл^)eЛ'п"'IV', .
Таким образом, сигнал Ет отнесен к m-му отказавшему излучателю
экспоненциальным множителем exp\j{m-n)y/p\ .
Данная методика применима и в более общем случае компенсации отказавших AM при наличии принимаемых сигналов от нескольких источников (целей) с разными частотами и направлениями прихода волн. Расчеты при этом осуществляются на основе разработанной итерационной процедуры [6].
Рассмотренные методы компенсации отказавших AM требуют, в общем случае, больших вычислительных затрат. Так, процедура синтеза на основе градиентного метода нового АФР в гексагональной АР с числом излучателей 91 при трех отказавших AM [3] потребовала 300 циклов (шагов) с пятью итерациями в каждом, чтобы определить 176 неизвестных. При увеличении размеров АР и количества случайно расположенных по полотну АР отказавших излучателей время вычислительного процесса существенно возрастает.
Метод компенсации отказавших AM путем корректировки амплитуд и фаз токов (полей) соседних излучателей, в противоположность оптимизационным методам, не требует громоздких вычислений, и легко осуществим на практике [8].
10 Метод более прост и применим при любой конфигурации расположения по полотну АР отказавших излучателей независимо от назначения радиосистемы. В этом случае компенсация множественных отказов AM может быть представлена как линейная суперпозиция отдельных корректировок отказавших AM.
При известных подходах к компенсации отказов AM остаются открытыми вопросы, связанные с влиянием АФР и структуры антенного полотна на степень и характер искажения суммарных и разностных ДН и их восстановление при учете условий работы АФАР, включая режим сканирования.
Таким образом, несмотря на возросший интерес к разработке АФАР радиосистем различного назначения, вопросы теории и математического моделирования, обеспечивающие решение вышеуказанных задач, включающих восстановление в режиме сканирования АФР по раскрыву АР при наличии влияния отказавших AM на характеристики направленности и энергетические параметры АФАР, практически отсутствуют.
Целью настоящей работы является:
развитие методов математического моделирования АФАР применительно к процессу восстановления суммарных и разностных ДН в реальном масштабе времени при отказах AM (излучателей), случайно расположенных по полотну АР;
численное моделирование восстановления характеристик направленности АФАР при различных параметрах антенного полотна и законах амплитудного распределения применительно к многофункциональному режиму работы радиосистем;
выявление влияния отказов AM (излучателей) и их амплитудной и амплитудно-фазовой компенсации на энергетические параметры АФАР.
11 Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
На основе компенсационного метода развита методика коррекции в реальном масштабе времени АФР по раскрыву АР при выходе из строя (отказах) AM.
Разработана математическая модель антенного полотна приемной АФАР, учитывающая выходы из строя AM, и проведено математическое моделирование процесса восстановления суммарных и разностных характеристик направленности при множественных отказах AM.
Исследовано влияние вносимого корректирующего фазового сдвига, шага решетки и законов амплитудного распределения по раскрыву АР на характеристики направленности и энергетические параметры АФАР.
Научная новизна работы состоит в том, что она представляет собой цикл исследований, в которых на основе комплексного подхода получены результаты, представляющие дальнейшее развитие вопросов математического моделирования и методов проектирования перспективного класса антенн -модульных АФАР при учете выхода из строя AM и восстановления характеристик направленности, соответствующих доотказному состоянию АР.
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод восстановления характеристик направленности АФАР при наличии отказавших AM, основанный на комбинации операций внесения амплитудной и фазовой поправок (коррекции) в соседние работоспособные излучатели в столбце каждого отказа.
Математическая модель приемной АФАР, учитывающая выходы из строя AM, и её численная реализация.
- Сравнительные характеристики направленности и энергетические параметры
АФАР при различных амплитудных распределениях, величине вносимого
корректирующего фазового сдвига, шаге решетки и числе отказавших AM.
Достоверность основных положений, выводов и результатов работы обоснована адекватностью математических моделей физическим моделям, использованием классических методов общей теории антенн, совпадением полученных аналитических выражений и результатов моделирования с использованием ЭВМ с известными теоретическими данными, полученными для частных случаев.
Приведенные данные теоретических расчетов согласуются с известными экспериментальными результатами.
Практическая значимость работы состоит в том, что развитые вопросы теории, предложенные методы и проведенные исследования показывают возможность сохранения работоспособности АФАР (соответствие ее характеристик и параметров эксплуатационным показателям) при наличии отказавших AM за счет восстановления характеристик направленности в реальном масштабе времени. Методы анализа АФАР доведены до расчетных формул, таблиц и графиков; разработаны программы моделирования и расчета характеристик направленности и энергетических параметров АФАР с использованием ЭВМ.
Внедрение. Результаты диссертационной работы использованы:
в НИИ Приборостроения им. В.В.Тихомирова (г.Жуковский) в НИР "Поединок" и разработке АФАР (шифр "Пролог");
в разработках ФГУП НПО им. САЛавочкина при выполнении НИР "Малоэлементные широкополосные и совмещенные антенны космических аппаратов и элементы их тракта", Договор № 98740-04060;
в учебном процессе Московского авиационного института (курсовое и дипломное проектирование).
13
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной
работы докладывались и обсуждались на: Ш-ей Международной конференции
"Теория и техника антенн" (Украина, Севастопольский государственный
технический университет, 1999); Х-ой Международной школе-семинаре
"Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот" (Москва-Фрязино,
2002); ХП-ой Международной конференции "СВЧ-техника и
телекоммуникационные технологии" (Севастополь-Москва, 2002); ХШ-ой Международной конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМико, 2003); V-ом обменном научном семинаре "Микроэлектроника и высокочастотная техника" (Германия, Мюнхенский технический университет, 1997).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 6-ти статьях в научных журналах "Антенны", "Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот", сборнике научных трудов института "Бортовые радиотехнические устройства и защита информации" (Москва, МАИ), в 3-х сборниках трудов конференций, книге "Активные фазированные антенные решётки" (Москва, Изд. "Радиотехника").
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа содержит 122 страницы, 80 рисунков и 3 таблицы; список литературы включает 24 наименования на 3-х страницах.
Восстановление ДН АФАР в азимутальной плоскости
Рассмотрим ДН АФАР в плоскости р = 0 (плоскость ZOX, рис.1.1). В этой плоскости эквивалентная линейная АР является периодической решеткой излучателей с шагом dx; её ДН в дальней зоне определяется одномерной азимутальной функцией распределения поля. Она получается из двумерной функции распределения поля АР путем свертывания каждого столбца распределения в весовую сумму компонент его индивидуальных излучателей. При отказе некоторого AM плоской АР в соответствующем излучателе эквивалентной линейной АР произойдет уменьшение амплитуды сигнала на величину, равную амплитуде сигнала отказавшего AM. Чтобы ДН эквивалентной линейной АР не изменилась, необходимо сохранить неизменной амплитуду сигнала во всех её излучателях. С этой целью следует изменить амплитуды сигналов плоской АР в тех излучателях, которые соответствуют одному и тому же излучателю эквивалентной линейной АР с отказавшим AM.
Отказ любого AM будем моделировать приравниванием нулю амплитуды возбуждения соответствующего излучателя. Например, если в АР отказал AM [р, q), то при расчете ДН АФАР при отказе AM полагаем:
Здесь п„пу комплексные амплитуды возбуждения излучателей АФАР с отказавшим AM. Таким образом, ДН АФАР при отказе AM
Для иллюстрации такой компенсации рассмотрим отказ AM центральногоизлучателя (10, 10J плоской прямоугольной АР, рис.1.2, состоящей из 21x21 = 441излучателя. Отказавший излучатель обозначен черной точкой, а соседние излучатели в столбце - двумя концентрическими окружностями.
АФАР в плоскости 3 = 0 изменим амплитуды возбуждения соседних излучателей в столбце на величину, равную половине амплитуды тока отказавшего AM:
комплексные амплитуды токов центрального излучателя АР (і 0,10] и соседних - (10, 9) и (10, 11) до отказа AM центрального излучателя; Аок109, Аок}0П — комплексные амплитуды токов соседних излучателей,обеспечивающих компенсацию искажения.
На рис.1.3 приведены ДН АФАР в азимутальной плоскости по мощностиС = \F{e, р = щ\ при отказе AM центрального излучателя (С0о - точки, (1.4)) и после его амплитудной компенсации (С0ока — пунктир, (1.6)). Для сравнения на этом же рисунке приведена ДН до отказа AM (СО — сплошная линия, (1.1)). Шаг решетки dx=dy=0,6A. Здесь и далее =0, 45 и 90"- главные плоскости АР -азимутальная, диагональная и угломестная; при расчетах и построении ДН приняты обозначения: СО, С45, С90 - ДН в плоскостях р = 0, 45 и 90 до отказов AM;С0о, С450, С90о - при отказах AM; СО , С45дад, С90ока - после амплитуднойкомпенсации отказавших AM, соответственно.Пока соседние компенсирующие излучатели выбраны строго в пределах столбца отказавшего излучателя, ДН АФАР в азимутальной плоскости полностью восстанавливается. Однако, при отклонении от азимутальной плоскости местоположение компенсирующих излучателей относительно этой плоскости иное, нежели в основной азимутальной плоскости и, соответственно, "компенсационное" амплитудное распределение будет отличаться от доотказного распределения в этой отклоняемой плоскости. Поэтому эффект от проведенной амплитудной компенсации на поведение ДН в других плоскостях менее значителен, чем в азимутальной плоскости. Специфика такого поведения зависит от того, каким образом компенсация осуществляется в пределах столбца отказавшего излучателя.
Возможны различные подходы осуществления амплитудной компенсации в пределах столбца отказавшего излучателя. Сравним два способа: компенсацию с использованием двух соседних излучателей и компенсацию с использованием всех излучателей в столбце отказа.
На рис. 1.4 показана ДН АФАР в угломестной плоскости. Видим, что к возрастанию УБЛ, вызванному отказом AM центрального излучателя (точки), добавилось увеличение уровня бокового излучения за счет проведенной амплитудной компенсации двумя соседними излучателями искажений ДН в азимутальной плоскости (пунктир). Таким образом, ДН в рассматриваемой плоскости существенно искажается. Этого дополнительного искажения вблизи и в самой угломестной плоскости можно избежать, используя полный столбец излучателей для компенсации отказа. В этом случае амплитуды токов излучателей подбираются в пропорциях, учитывающих амплитудную функцию распределения в столбце:
Диаграммы направленности и СКУ боковых лепестков при амплитудной и амплитудно-фазовой компенсациях отказавших AM
На рис.2.4 приведены три характеристики. Сплошной линией {S) представленрасчетный СКУ боковых лепестков АФАР до отказов AM, вычисленный вразличных плоскостях при шаге решетки dx-dy- 0,5Я. Горизонтальнаякоордината (р - угол наклона плоскости значений СКУ боковых лепестковотносительно горизонтали, т.е. азимутальной плоскости (азимутальной плоскостисоответствует координата р = 0, угломестной - 7 = 90). Кривая S0 {точки)показывает СКУ боковых лепестков при отказах AM. Средняя кривая SOKa{пунктир) - СКУ боковых лепестков после амплитудной компенсации отказавшихAM соседними излучателями в столбце каждого отказа. Таким образом, вазимутальной плоскости компенсация бокового излучения - полная и сохраняется вобеих полусферах до угла (p = W. Далее, при приближении к диагональной иугломестной плоскостям СКУ боковых лепестков возрастает. So Применение амплитудно-фазовой компенсации, не ухудшая характеристику в азимутальной плоскости, приводит к дополнительному увеличению общего (в обеих полусферах) СКУ боковых лепестков S01 =\S\oiaf) + S20 )l2 {штрих-пунктир, рис.2.5), что вызвано возрастанием дальних боковых лепестков в нижней ("предпочтительной") полусфере \ окф) и бокового излучения \S2OK(p) в верхней полусфере при добавлении фазовой коррекции.
Однако, если рассматривать ДН АФАР только с одной стороны от главного лепестка (см. далее рис.2.7 ...2.9), то в нижней ("предпочтительной") полусфере амплитудно-фазовая компенсация по сравнению с амплитудной обеспечивает СКУ боковых лепестков, соответствующий доотказному случаю (в азимутальной плоскости) вплоть до углов р - 35 ... 37 (51 (штрих-пунктир), рис.2.6).
Остановимся подробнее на влиянии совместной амплитудной и фазовой компенсаций на СКУ боковых лепестков в нижней ("предпочтительной") полусфере и отдельно - в верхней полусфере, а также на выявлении размера непрерывной угловой области ДН АФАР, где может быть достигнуто улучшение в СКУ бокового излучения и его зависимость от шага решетки dyjX в угломестнойплоскости.
Для случая отказов 2% излучателей, рис.2.10, и различных расстояний между излучателями в угломестной плоскости \dx -dy- 0,6Я и dx= 0,6Я, dy = 0,ЗЯ) нарис.2.11 ... 2.13 приведены зависимости СКУ боковых лепестков при амплитудно-фазовой компенсации с величиной вносимых корректирующих фазовых сдвиговv = 15, 30 и 45 в нижней ("предпочтительной") полусфере \ окф) и верхней полусфере (S20K p).
Расположение 12% отказавших излучателей показано на рис.2.17, а соответствующие расчетные характеристики СКУ боковых лепестков при различных вносимых корректирующих фазовых сдвигах - на рис.2.18... 2.20.
Видим, что изменение угла наклона рассматриваемой плоскости относительно горизонтальной при различных процентах отказавших излучателей (2, 4 и 12%] и шаге решетки dx=dy- 0,6А дает наиболее протяженную угловую область равных значений СКУ боковых лепестков # «10 при величине вносимогокорректирующего фазового сдвига v = 15 (рис.2.11,а; 2.14,а; 2.18,а).При уменьшении шага решетки в угломестной плоскости вдвое(dx = 0,6A, dy = 0,3А] протяженность угловой области в ("предпочтительной")полусфере при величине вносимого корректирующего фазового сдвига v = 15 увеличивается также примерно вдвое: р = 20... 25 {8\окф) (рис.2.11,6; 2.14,6; Рисунки 2.11,6...2.16,6 и 2.18,6...2.20,6 также показывают, что в случае шага решетки в угломестной плоскости dy = 0,ЗА и увеличении величинывносимого корректирующего фазового сдвига до и 45 СКУ боковых лепестков при приближении к угломестной плоскости (область углов р = 60 ... 90) стремится к своему доотказному значению при одновременном улучшении (сглаживании) во всей полусфере [Sl0 j. Это сопровождается возрастанием СКУ боковых лепестковв другой полусфере \S2OKlfi) после наклона рассматриваемой плоскостиотносительно азимутальной на угол, превышающий р = 20 ... 30.
Таким образом, подбор величины вносимого корректирующего фазового сдвига при компенсации отказавших AM одновременно может быть использован для снижения ("оптимизации") СКУ боковых лепестков АФАР в требуемых угловых областях бокового излучения выбранных плоскостей сканирования (см. рис.2.12, 2.15,2.19).
В случае самолетных РЛС на больших высотах УБЛ при углах места#«70 ...90 не имеет существенного значения. Здесь важна нижняя("предпочтительная") полусфера. В корабельных РЛС, где важна верхняя полусфера, наоборот, рост УБЛ за счет изменения знака вносимого корректирующего фазового сдвига на обратный будет происходить при больших углах понижения в « -60 ... -90а (другая полусфера).
Проведенные расчеты показывают, что амплитудно-фазовая компенсация отказавших AM приводит к характеристикам направленности, которые отвечают тактико-техническим (эксплуатационным) требованиям многих бортовых и наземных РЛС.
Среднеквадратичный УБЛ и ДН АФАР при смене амплитудного распределения по раскрыву АР
Влияние изменения закона амплитудного распределения на СКУ боковых лепестков АФАР [21] в различных полусферах показано на рис.2.21, 2.22, 2.23 для АР с квадратной сеткой расположения излучателей dx=dy = 0,6Л при их числе равном 441 и 12% отказавших излучателей, применяя половинную амплитудную и фазовую компенсацию (у = 45) от соседних излучателей в столбце каждого отказа.
При косинус-квадратном амплитудном распределении по раскрыву АР с пьедесталом Ъ = 0,08, обеспечивающим УБЛ = -40 дБ, полная компенсация отказавших AM имеет место только в азимутальной плоскости, рис.2.21, \S\0K(f), S20K(j)). При том же законе амплитудного распределения с пьедесталомЪ = 0,5, обеспечивающим УБЛ = -22 дБ, СКУ боковых лепестков совпадает с идеальным (доотказным) в обеих полусферах до угла наклона рассматриваемой плоскости относительно азимутальной равного р«8,5 (рис.2.22). В случае равномерного амплитудного распределения обеспечивающего УБЛ = -13,2 дБ этаобласть расширяется до р = 10, рис.2.23.
Таким образом, при увеличении расчетного УБЛ более полная компенсация влияния отказов AM на СКУ боковых лепестков простирается в ("предпочтительной") полусфере до угла наклона рассматриваемой плоскости относительно азимутальной равного р«15 (рис.2.22, 51 ), а в случае равномерного распределения - от 7 = 00 до «20 (рис.2.23, Sl0K(f)). Кроме того, в двух последних случаях СКУ боковых лепестков при отклонении рассматриваемой плоскости относительно азимутальной на угол # » 85 не превышает значения СКУ боковых лепестков в горизонтальной плоскости в доотказном состоянии \SlOK(p).
Следовательно, чем ниже расчетный УЕЛ, тем выше СКУ боковых лепестков при приближении к угломестной плоскости.
Изменения общего (результирующего по обеим полусферам) СКУ боковых лепестков при амплитудной компенсации отказавших AM (S0Ka) и при амплитудно-фазовой компенсации отказавших AM [S = [Sl 4-52 )/2), длярассматриваемых случаев амплитудных распределений приведены нарис.2.24 ... 2.26. Видим, что дополнительная фазовая коррекция, улучшаяхарактеристику направленности в угловой области, примыкающей (с однойстороны) к главному лепестку ДН в угломестной плоскости, приводит, в общем, квозрастанию СКУ боковых лепестков в обеих полусферах по сравнению самплитудной компенсацией, что вызвано существенным увеличением УЕЛ сдругой стороны от главного максимума ДН. Диаграммы направленности в угломестной плоскости для приведенных вышерасчетных УБЛ = -40 дБ и УБЛ = -13,2 дБ при амплитудно-фазовой компенсации отказавших AM показаны на рис.2.27, 2.28. Видим, что область улучшения в уровне бокового излучения в нижней ("предпочтительной") полусфере в первом случае простирается до угла места # = -2730 , во втором случае до # = -40. На рис.2.29 показано сечение пространственной ДН, диагональной плоскостью при расчетном УБЛ = -40 дБ. В азимутальной же плоскости, рис.2.30 ДН АФАР послев, град100 -80 -60компенсации отказавших AM полностью восстанавливаеРис.2.29. дн в диагональной плоскости, УБЛ = -40 дБ до отказов, при отказах 12% AM иих компенсации Для каждого возможного рабочего состояния АР коэффициент направленного действия (КНД) есть отношение квадрата напряженности поля (1.1) в направлении главного максимума ДН к полной мощности излучения Рг [22]:
Определим снижение КНД \Dpc) относительно исходного значения D (доотказного случая) Dpc/D\ при отказах AM, амплитудной и амплитудно-фазовойкомпенсациях отказавших AM.
На рис.2.31 приведены зависимости относительных значений снижения КНДАФАР в логарифмическом масштабе при отказах 2, 4 и 12% излучателей (КНД единичного излучателя принят равным 1) [23]. Кривая D0/D {точки) соответствует случаю отказов AM; кривая D0KajD {пунктир) - амплитудной компенсации отказавших AM, а кривая D jD {штрих-пунктир) - амплитудно-фазовойкомпенсации отказавших AM. Относительные значения снижения КНД АФАР при отказах AM и их компенсациях приведены в табл.2.1. При этом амплитудная компенсация осуществлялась соседними излучателями в столбце каждого отказа, а величина вносимого корректирующего фазового сдвига принималась равной v = компенсациях
Видим, что "платой" за полное восстановление ДН в азимутальной плоскости и частичное - в угломестной, является возрастание уровня бокового излучения и снижение КНД АФАР. Так, к примеру, снижение КНД при отказах 12% излучателей и их амплитудно-фазовой компенсации в рассматриваемой плоской АР составляет D0K(f) jD - -0,931 дБ по сравнению с КНД в доотказном состоянии.Максимальное значение УБЛ при данном проценте отказов составляет - 30 дБ вазимутальной плоскости и -26,5 дБ в угломестной плоскости, рис.2.32, 2.33, табл.2.2.
Восстановление суммарных и разностных ДН АФАР при отказах AM и различных амплитудных распределениях по раскрыву АР
Расчетные суммарные и разностные ДН при равномерном и косинус-квадратном амплитудных распределениях, 12% отказавших излучателей и вносимом корректирующем фазовом сдвиге v = 30 приведены на рис.3.2 ... 3.5 как в логарифмическом (а), так и в квадратичном (по мощности) (б) масштабах приизлучении по нормали к АР. На рисунках приняты обозначения: СрО, Ср90 разностные ДН (РДН) АФАР в азимутальной и угломестной плоскостях до отказов
AM; Q?0o, Ср90о - при отказах AM; Ср0ока, Ср90ока при амплитудной иСр окфі Ср окф - при амплитудно-фазовой компенсациях отказавших AM;СО, С90 - суммарные ДН АФАР до отказов AM, относительно которых нормированы РДН. Максимальный уровень разностных ДН АФАР по мощности в азимутальной плоскости при равномерном возбуждении раскрыва АР до отказов AM составляет 0,53 относительно максимума суммарной ДН (рис.3.2,а, б). Ширина угловой области "нулевого" излучения между максимумами РДН по половинной мощности 2вр = 3,675. При отказах AM уровень РДН снижается до значения 0,42, а уровень"нуля" имеет значение 1,7-10"5 (-47,7 дБ) (рис.3.2,в). Ширина угловой области
Число отсчетов (сечений) суммарной и разностной ДН принималось равным 50 тысяч "нулевого" излучения увеличивается до 2вр = 4,424. Применение амплитуднойкомпенсации приводит к полному восстановлению РДН,
В случае косинус-квадратного амплитудного распределения с пьедесталом = 0,08 уровень максимумов РДН снижается до 0,41, направления "нулевых" излучений в ДН АФАР "заплывают" (рис.3.3,а, б), а ширина угловой области "нулевого" излучения составляет 26 =5,271. Отказы AM понижают уровень максимумов РДН до значения 0,305, Ширина угловой области "нулевого" излучения увеличивается до 2 =6,433, а уровень "нуля" в пеленгационном направлении возрастает до 5,48-10"5 (-42,6 дБ), т.е. примерно на 5 дБ (рис.3.3,в) по сравнениюсо случаем равномерного возбуждения раскрыва АР. Введение амплитудной компенсации полностью восстанавливает РДН в рассматриваемой плоскости.
Характеристики направленности АФАР в угломестной плоскости при равномерном возбуждении раскрыва АР, соответствующие картине случайного расположения отказавших излучателей (рис.3.1), близки к характеристикам направленности в азимутальной плоскости. Ширина угловой области "нулевого"излучения 20р = 3,8" до отказов AM и 2вр =4,392 при отказах AM; уровень "нуля" равен 1,7-10 5 (-47,7()5) (рис.3.4,в, 3.6,а). Введение фазовой коррекции (v = 30Jдля снижения УБЛ с одной стороны от главного максимума суммарной ДН приводит к ее асимметрии из-за изменения АФР по раскрыву АР и вызывает различие в уровне максимумов РДН (0,538 и 0,51 соответственно, рис.3.4,б).
При спадающем амплитудном распределении (6 = 0,08) уровень главных максимумов РДН до отказов AM имеет значение 0,41, а при наличии отказавших AM - 0,3 (рис.3.5,6). Уровень дальнего бокового излучения в РДН возрастает примерно на 4...5 дБ по сравнению с доотказным случаем (рис.3.5,а), а уровень "нуля" принимает значение 4,3840-1 (-33,6 дБ) (рис.3.5,в, 3.6,6). Ширина угловой области "нулевого" излучения равна соответственно 26р =5,267 до отказов AM, 26 =6,433 при отказах и 2вр 5,277 после амплитудно-фазовой компенсации отказавших AM. Амплитудно-фазовая компенсация отказавших AM в угломестной плоскости приводит к восстановлению уровня "нулевого" излучения РДН (рис.3.5,в, 3.6,6). Однако главные максимумы РДН различаются по величине: 0,425 и 0,386 соответственно.в, град Рис.3.4. Разностная ДН в угломестной плоскости, УБЛ = -13,2 дБ до отказов, при отказах12% AM и их компенсациях
