Введение к работе
Актуальность теми. Прогросс в развитии радиотехнических систем (РТС) связан с решением задачи их комплексной микроминиатюризации. При этом пнтенние и високочастотіше тракти приемников и передатчиков СВЧ-диапазонов являются одними из центральних звеньев отой проблемы. Наиболее полно достижения гоїтегр-гшюЗ радиоэлектроники воплсдаются п теории и технико активних фазяроваїпшх антенних рошоток (АФАР). В них оказивается возможном применение интегрзльнпх радиоэлектронных устройств микрополоскових линий передачи, СБЧ полупроводниковых усилителей пвррдаиіих и приємних трактов, диодных и транзисторных дискретних фазовращателей1 (.ФБР) и т.д. Вердєішє в РТС ФАР требует решения нелинейной задачи полоса фаз возбуждения алиментов раскрива для создания требуемой диаграммы направленности (Дії). Она в значительной степени усложняется возможностью использования на практике только малоразрядшх ФБР (3-4 разряда), доллоду» ее дискротиой.
Б настоящее время число публикаций, отражающих различные аспекти управления ФАР, только в отечественной литературе составляет сотни наименований в год. Несмотря на это для ряда практически важных задач требования, предъявляемые' к радиосистемам, выходят за рамки возможностей существующих алгоритмов управления, что в значительной степени сдерживает внедрение ФАР в практику. Поэтому разработка и исследование новых более эффективных алгоритмов, учитывающих конструкторские и технологические возмокности интегральной радиоэлектроники и средств их реализации, является актуальним.
ИсследоЕание РТС с ФАР с помощью теории пространственно-временной фильтрации позволяет описывать и анализировать процессы, происходящие в пространственней области, опираясь на опыт и метода цифровой фильтрации: Z-преобразование, . дискрэтное преобразование Фурье и т. д. Одним из направлений, активно развиваемых ь последние года в области цифровой. фильтрации, является нестационарная обработка сигналов. Благодаря быстрому изменению параметров фильтров удается частично парировать проблемы, связанные с ограниченностью разрядной сетки, представления констант, быстродействием элементной базы. В силу того, что аналогичные проблемы имеют место и при проектировании ФАР, причем они еще в большой степени отягощены относительно низким уровнем интеграции СЕЧ-микроэлектрбшшх устройств в сравнении с . цифровыми, представляется актуальним распростраішть методы нестационарной цифровой обработки сигналов на пространственную область.
Цель роботы. Целью настоящей диссертационной работы является исследование эффективности методов управления ФАР с дискретными ФЬР, сформированных с учетом возможностей нестационарной фильтрации, и разработка на этой базе более совершенных алгоритмов; определение путей программной и аппаратной реализации предложенных рошений, создание методик расчета соответствующих устройств. Работа ориентирована на плоские эквидистантные решетки с относительно небольшим числом элементов (до сотни), дискретными мэлоразрядешми ФБР (до 4-5 разрядов). Основное внимание уделяется моноимпульсной следящей РТС, хотя подход распространим и на другие типы радиосистем.'
Для достижения указанной цели были решены следующие задачи: - проанализировано современное состояние теории и техники
управления ФАР, нестационарной цифровой фильтрации;
- дано математическое описание ФАР, как нестационарного фильтра, и
физическая интерпретация полученной аналогии;
- исследована эффективность' известных методов управления ФАР о
дискретным фазовым управлением и разработаны новые более
эффективные алгоритмы точной установки нуля разностной ДН
моноимпульсной ФАР;
- проведена оценка справедливости теоретических расчетов и выводов
по результатам экспериментальных измерений;
- определены требования к параметрам устройства управления
моноимпульсной ФАР;
- разработана методика пересчета данных угловых измерений с учетом
возможных погрешностей установки и юстировки полотна ФАР к
требуемой системе координат.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работа использованы методы математического анализа нестационарных цифрових фильтров, статистической радиотехники, а также машинное моделирование и экспериментальные исследования.
Научная новизна. В хода проделанной работы получены ноше результаты:
математическое описание пространственного нестационарного фильтра;
математическая аналогия между ФАР с неадаптивно изменяющимися параметрами амплитудно-фазового распределения и цифровым нестационарным фильтром;
определена степень декорреляции пассивной помехи для обработки сигналов ФАР с переменным во времени фазовым распределением (ФР) и предложен способ улучшения характеристик СДЦ;
качественное и количественное описание процесса преобразования ФАР пространственно-временного сигнала во временную область с использованием математического аппарата нестационарной фильтрации;
на основе спектральних методов исследован механизм уменьшения влияния дискретности фазирования на формируемую ДН для алгоритмов врьменного и апертурного сглаживания;
оценка достижимой точности наведения луча для строчно-столбцовых и поэлементных алгоритмов управления дискротно фазируемыми ФАР;
с использованием подходов нестационарной фильтрации исследована эффективность различных алгоритмов дискретного фазирования.
Практическая ценность работа заключается в следующем:
синтезирован ряд поэлементных алгоритмов расчета ФР, позволяющих реализовать доспшімую точность наведения луча двумерных дискретно фазируемых ФАР;
разработаны принципы построения вычислителей фаз, реализующих предложенные высокоэффективные алгоритмы;
создана методика пересчета данных угловых измереклй к единой системе координат с учотом реальных погрешностей установки полотна ФАР.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Описание ФАР, как нестационарного пространственно-временного фильтра.
-
Исследование влияния обработки сигналов ФАР с переменным во времени ФР на приемный тракт РТС.
-
Алгоритм расчета дискретного ФР двумерной ФАР, позволяющий уменьшить влияние дискретности фазирования на форлируемую ДН.
4. Определение достиэдюй точности наведения луча' для
строчно-столбцевых и поэлементных олгоритмов управления дискретно
фазируемых ФАР.
5. Алгоритми последовательного й последовательно-параллельного
расчета дискретного ФР, предельно уменьшающие влияние дискретности
фазирования на точность измерения угловых координат.
6. Оригинальные устройства управления лучом АГ.
Реализация результатов работы. Результаты диссертации использовались при выполнении ОКР "Дождь" по разработке микрозлектронного аэрологического радиолокатора (МАРЛ) по заказу Роскомгадромета.
В ОКР "Дождь" для обеспечения требуемой точности измерения угловых координат используотся предложенный в диссертации алгоритм упраізлвішя ФАР, основанный на накоплении ошибок дискретности и с учетом иеидэалыюсти 4-х разрядных ФБР.
Апробация результатов. Основные результаты диссортащюячой
работы доложены на семинарах кафедры микроэлектронных
радиотехнических устройств и систем Московского государственного
института электронной техники; на Всосоюзных конференциях
"Научно-технический прогресс и эксплуатация воздушного транспорта",
Москва, МИИГА, 1990г.; "Перспективы развития и применения средств
вычислительной техники для моделирования и автоматизированного
исследования", Москва, І99(г.; научно-технической конференции
"Передача, прием и обработка сигналов в системах радиосвязи",
Ростов, 1990г. ^ .
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в десяти печатных работах в курналах "Радиотехника", "Известия ВУЗов. Радиоэлектроника", "Электронная техника. Серия 10", "Вопросы радиоэлектроники", в опубликованных материалах указанных выгае конференций.
ООьем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из сведения, пяти глав, пяти приложений и списка литературы. Работа изложена на 235 страницах машинописного текста, в том «челе 177 страниц основного текста, 19 страниц рисунков, 24 страницы приложений и списке литературы из 126 наименований.
