автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Восстановление характеристик направленности активных фазированных антенных решеток при отказах активных модулей

На правах рукописи УДК 621.396.677.494

Гостюхин Алексей Вадимович

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ АКТИВНЫХ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ПРИ ОТКАЗАХ АКТИВНЫХ МОДУЛЕЙ

Специальность 05.12.07 - "Антенны, СВЧ - устройства и их технологии"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004г.

Работа выполнена на кафедре Теоретической радиотехники Московского авиационного института (государственного технического университета).

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Шишкин Г.Г.

Официальные оппоненты: член-корр. РАН

доктор технических наук Бахрах Л.Д.

кандидат технических наук Емельченков Ф.И.

Ведущая организация: ФГУП НПО им. С.А.Лавочкина

Защита состоится «_»

2005г. в

часов на

заседании диссертационного Совета Д 212.125.03 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125993, ГСП-3, А-80, г.Москва, Волоколамское шоссе, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Отзыв, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 125993, ГСП-3, А-80, Москва, Волоколамское шоссе, д.4. Ученый Совет МАИ.

Автореферат разослан «_»_2004г.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

доцент, к.т.н.

Сычев М.И

2Р06-Д

2764

т\т

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 (АМ). В связи с этим вероятность выхода из строя (отказов) АМ по сравнению с пассивной 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 АМ.

Осуществлены выбор и обоснование метода восстановления характеристик направленности АФАР при отказах АМ (излучателей). На основе компенсационного метода разработана методика коррекции в реальном масштабе времени амплитудно-фазового распределения (АФР) по раскрыву антенной решетки (АР) с использованием соседних работоспособных излучателей.

Математическое моделирование процесса восстановления диаграммы направленности (ДН) АФАР при различных законах амплитудного распределения по раскрыву АР и конфигурации расположения отказавших АМ проведено на основе общей теории фазированных антенных решеток и методов численного моделирования характеристик АФАР на ЭВМ.

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-проектирования АФАР с использов.

к процессу

Актуальность работы обусловлена требованиями восстановления характеристик направленности (работоспособности) АФАР в реальном масштабе времени при отказах АМ, что может быть достигнуто на основе развития компенсационного метода коррекции амплитудно-фазового распределения по раскрыву АР.

Из приведенного в диссертационной работе обзора литературы следует, что возможны следующие основные подходы к восстановлению нормального функционирования АФАР с отказавшими АМ: замена отказавших модулей; синтез новых "оптимальных" ДН антенны с использованием оставшихся работоспособных излучателей после множественных отказов; компенсация отказавших излучателей путем корректировки амплитуд и фаз токов (полей) соседних излучателей.

При первом подходе необходимо прекращение функционирования АР для соответствующих ремонтно-восстановительных работ или проведение замены отказавших АМ в рабочем режиме. Второй подход - синтез новых "оптимальных" ДН на основе оставшихся работоспособных излучателей требует, в общем случае, больших вычислительных затрат, а реализуемые ДН такой АР в различных плоскостях и энергетические параметры не соответствуют доотказному случаю.

Метод компенсации отказавших излучателей путем корректировки амплитуд и фаз токов (полей) соседних излучателей не требует громоздких вычислений, и легко осуществим на практике в реальном масштабе времени. В этом случае ДН в одной из главных плоскостей АР может быть восстановлена полностью.

При известных подходах к компенсации отказов АМ остаются открытыми вопросы, связанные с влиянием амплитудно-фазового распределения (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 отказавших АМ на характеристики направленности и энергетические параметры АФАР, практически отсутствуют.

На основе вышеизложенного основные цели и задачи диссертационной работы состояли в следующем.

Цель работы:

- развитие методов математического моделирования АФАР применительно к процессу восстановления суммарных и разностных ДН в реальном масштабе времени при отказах АМ (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 и их компенсации на энергетические параметры АФАР.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. На основе компенсационного метода развита методика коррекции в реальном масштабе времени АФР по раскрыву АР при выходе из строя (отказах) АМ.

2. Разработана математическая модель антенного полотна приемной АФАР, учитывающая выходы из строя АМ, и проведено математическое моделирование процесса восстановления суммарных и разностных характеристик направленности при множественных отказах АМ.

3. 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 АМ и восстановления характеристик направленности, соответствующих доотказному состоянию АР.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Метод восстановления характеристик направленности АФАР при наличии отказавших АМ, основанный на комбинации операций внесения амплитудной и фазовой поправок (коррекции) в соседние работоспособные излучатели АР в столбце каждого отказа.

- Математическая модель приемной АФАР, учитывающая выходы из строя АМ, и ее численная реализация.

- Сравнительные характеристики направленности и энергетические параметры АФАР при различных амплитудных распределениях, величине вносимого корректирующего фазового сдвига, шаге решетки и числе отказавших АМ.

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 АМ 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.С.А.Лавочкина 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).

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), У-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 4-х сборниках трудов конференций и семинара, в книге "Активные фазированные антенные решетки" (Москва, "Радиотехника").

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Работа содержит 121 страницы, 80 рисунков и 3 таблицы; список литературы включает 24 наименования на 3 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обсуждена актуальность работы, проведен анализ состояния вопроса и сформулирована постановка задачи исследования. Указана научная новизна и приведены основные положения, выносимые на защиту; рассмотрены достоверность и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена разработке математической модели приемной АФАР, учитывающей выходы из строя (отказы) АМ (излучателей). Процесс компенсации отказавших АМ при моделировании включает два действия: восстановление ДН АФАР в рассматриваемой плоскости и около нее и восстановление частично искаженной ДН в ортогональной и промежуточных плоскостях.

Размещение изотропных излучателей АР с прямоугольной формой раскрыва показано на рис. 1.1. Диаграмма направленности АФАР в общем виде представляется соотношением

N Я,

£ ехр[/'(»,М, + .

где АПг„г - комплексная амплитуда возбуждения излучателя (",>",); к,=—ьтвсоъ<р ; =— ьтвьтр,

] ' 3

Рис.1.1.

Восстановление ДН в азимутальной плоскости ( 20Х, рис. 1.1, (р = 0°). Отказ любого АМ {р,д) АФАР моделируется приравниванием нулю амплитуды возбуждения соответствующего излучателя

Аоп„п, = А,.,, Для всех (пх,пу), кроме (п, = р, «, = <?); Аор9=0 .

Для компенсации влияния отказа этого элемента АР на ее ДН = о)|2 = со] используются соседние излучатели в столбце р, амплитуды которых увеличиваются на половину амплитуды тока (поля) отказавшего излучателя ¿окп,.п, =А°п„пг Для всех {пх,пу), кроме (и, = р, пу=Ч-\), (пх = р, пу=Ч +1);

А°кР„-\ = + 0'Н., ^ Аокр.Я+I = К^ + 0-Н.? •

На рис. 1.2 для плоской АР с числом излучателей 21x21 = 441, шаге решетки ¿х=с1у = 0,6Л и расчетным уровнем боковых лепестков

УБЛ = —40 дБ (косинус-квадратное амплитудное распределение с пьедесталом 0,08) приведены ДН по мощности до отказов АМ (кривая СО), в случае отказа АМ центрального излучателя (кривая С0„) и после половинной амплитудной компенсации отказавшего АМ (кривая С0О1Я). СО дБ

-20 -30 -40 -50 -60 -70

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 в, град Рис. 1.2.

Пока соседние компенсирующие излучатели выбраны строго в пределах столбца отказавшего излучателя, ДН в азимутальной плоскости полностью восстанавливается. Однако при отклонении от азимутальной плоскости эффект от проведенной амплитудной компенсации на поведение ДН в других плоскостях менее значителен.

На рис.1.3 показаны ДН АФАР 90}2 = С9о] в угломестной

плоскости (ХОУ, ^ = 90°). Видим, что к возрастанию УБЛ, вызванного

отказом АМ центрального излучателя, добавилось увеличение уровня бокового излучения за счет проведенной амплитудной компенсации двумя соседними излучателями искажений ДН в азимутальной плоскости (кривая С0ока, рис. 1.2), т.е. ДН в данной плоскости дополнительно искажается.

С90 дБ £90.

-20 -30 -40 -50 -60 -70

-100 - 80 - 60 - 40 - 20 0 20 40 60 0, град

Рис. 1.3.

Компенсация искажений ДН в угломестной плоскости. В принципе, используя рассматриваемую амплитудную методику, можно компенсировать влияние отказавшего излучателя АР на ДН в угломестной плоскости, увеличивая амплитуды двух соседних излучателей в пределах строки отказавшего излучателя. Однако это изменило бы функцию амплитудного распределения уже реализованную в азимутальной плоскости и ухудшило бы

ДН в этой плоскости. Дополнительной степенью свободы, которая может быть использована для улучшения ДН в угломестной плоскости в широкой угловой области без внесения искажений в ДН в азимутальной плоскости, является фазовая коррекция. В этом случае комплексные амплитуды возбуждения излучателей

Аокл п> = Ао„ „г для всех ("„"Д кроме (п, = р, пу (пх = р, пу = д + 1);

Аокм_, = Ар(Н + 0,5Ам ехр (- >); Аокр^ = Ар^, + 0,5Ар„ ехр (>),

где у - корректирующий фазовый сдвиг, отсчитываемый относительно значения фаз компенсирующих излучателей, соответствующих ориентации главного максимума ДН в пространстве.

Совместная амплитудно-фазовая компенсация ДН. На рис. 1.4,а на примере трех соседних излучателей (п +1, п, п -1) в столбце АР показана векторная картина полей до отказа, при отказе и соответствующая процессу совмещения амплитудной и фазовой компенсаций отказавшего АМ. Диаграммы направленности АФАР в угломестной плоскости при отказе АМ центрального излучателя и величине вносимого корректирующего фазового сдвига* V = ±30* приведены на рис. 1.4,6, где приняты обозначения: С90 - ДН по мощности до отказа АМ; С90жа - ДН при амплитудной и 090^ - ДН при амплитудно-фазовой компенсациях отказавшего АМ двумя соседними излучателями в столбце отказа; шаг решетки с1х=с1у= 0,6Я.

Введение корректирующих фазовых сдвигов приводит к несимметричному изменению ДН АФАР после компенсации отказавшего АМ (С^ф). Причем с одной стороны от главного максимума ДН УБЛ возрастает, а с другой стороны имеется область пространственных углов, где УБЛ уменьшается по сравнению со случаем проведенной амплитудной компенсации отказавшего АМ; протяженность этой угловой области с восстановленным УБЛ растет с увеличением параметра V.

Величина вносимого корректирующего фазового сдвига V подбирается на основе математического моделирования антенной системы.

К

£„., + 0,5£„ехр(-уу)

а)

С90 <)£ С90„

-10

-20

-30

\\

-40

-50

-60

-70

АЛ

\л

и

0

Л А

Ж

о

'А Л

У

л л

у = 30'

и.

V/

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 в, град

-29-06' б) Рис. 1.4.

Из проведенных расчетов следует, что наилучший эффект обеспечивает фазовый сдвиг V < 15... 30°. При этом область наибольшего улучшения УБЛ в угломестной плоскости приходится на угол места до # = -30° как при

ориентации главного максимума ДН по нормали к АР, так и при его отклонении. При приближении к плоскости АР (в —> -90°) эффективность коррекции ухудшается. ДН в азимутальной плоскости при амплитудно-фазовой компенсации отказавшего АМ (как и при амплитудной) восстанавливается полностью за счет поддержания величины суммарного вектора поля (тока) компенсирующих соседних излучателей (см. рис. 1.4,а) в направлении главного максимума ДН, равной доотказному состоянию АФАР, что учтено в алгоритме управления амплитудой поля возбуждения каждого излучателя.

Размер непрерывной угловой области, где достигается улучшение в УБЛ, зависит при данной величине вносимого корректирующего фазового сдвига от электрического расстояния между излучателями в угломестной плоскости. Так, при уменьшении шага решетки с с1у - 0,6Я до Ау = 0,3X и

V = 15° эта угловая область ДН расширяется примерно вдвое.

Проведено сравнение результатов математического моделирования восстановления ДН АФАР при отказе АМ с экспериментальными данными. Показано практически полное совпадение характеристик направленности АФАР в угломестной плоскости при амплитудно-фазовой компенсации отказавшего АМ центрального излучателя.

Результаты первой главы показывают, что введение механизма амплитудно-фазовой компенсации позволяет реализовать характеристики АФАР в выбранных рабочих секторах пространства близкими к доотказному случаю.

Во второй главе рассмотрены ДН и среднеквадратичный уровень (СКУ) боковых лепестков АФАР при множественных отказах АМ. В этом случае, как и при одиночном отказе, компенсация каждого отказавшего излучателя осуществляется путем введения амплитудной и фазовой компенсаций от двух соседних излучателей в столбце каждого отказа.

Моделирование множественных отказов АМ на основе изложенной методики проведено на примере той же АР с числом излучателей 21x21 = 441 при случайных отказах 2, 4 и 12% излучателей.

Выявлена особенность совместной амплитудно-фазовой компенсации -различное поведение СКУ боковых лепестков в разных полусферах: нижней (слева от главного максимума) - 51 тф и верхней полусфере (справа от главного

максимума) - .

Установлено, что уменьшение шага решетки в угломестной плоскости и фазовая коррекция приводят к увеличению ширины угловой области равных значений СКУ боковых лепестков при компенсации отказов. Так, при шаге решетки в угломестной плоскости <^ = 0,ЗЯ (вместо ¿у =0,6/1, рис.2.1,а) и 4% отказавших излучателей эта угловая область составляет величину р = 20... 30°, т.е. возрастает в два раза (рис.2.1,6, кривая 51). На рис.2.1 горизонтальная координата <р - угол наклона плоскости значений СКУ боковых лепестков относительно азимутальной, которой соответствует координата "0", а угломестной плоскости - "90"; 5 - СКУ боковых лепестков до отказа АМ, 50 - при отказах АМ.

Исследовано влияние смены закона амплитудного распределения по раскрыву АР на протяженность угловой области улучшения в УБЛ в угломестной плоскости после амплитудно-фазовой компенсации отказов АМ. Показано, что эта область тем шире, чем выше расчетный УБЛ. Так, при отказе 12% излучателей, шаге решетки = (1у - 0,6Я и величине вносимого корректирующего фазового сдвига V = 45' угловая область улучшения в СКУ боковых лепестков увеличивается со значения <р = 0° до <р « 20° при переходе от АФАР с расчетным УБЛ = -40 дБ, рис.2.2,а, кривая тф, к распределению, обеспечивающему УБЛ = -13,2 дБ, рис.2.2,б, кривая ^\окф.

А......

sjZ

S2.

окф

дБ -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90

дБ

Sy

S2...

-40

-50

-60

S. S\

окф

s 2.

окф

дБ -30

-40

-50

-60

-70

-80

-90

0 20 40 60 Ч>> град

О 20 40 60 <Р, град

б)

Определено снижение КНД АФАР при компенсациях отказавших АМ соседними излучателями в столбце каждого отказа. Так, для случая отказа 12% излучателей в плоской прямоугольной АР с числом излучателей 21x21 = 441 при половинной амплитудной и фазовой компенсации {у = ±30°) снижение КНД не превышает 1 дБ (-0,931 дБ).

В третьей главе проанализировано влияние отказов АМ на разностную ДН (РДН) при различных амплитудных распределениях по.раскрыву АР. Так, в случае косинус-квадратного амплитудного распределения с пьедесталом 0,08 отказ 12% АМ, рис.3.1, приводит к снижению уровня максимумов РДН на 1,35дБ, увеличению ширины угловой области "нулевого" излучения по уровню половинной мощности на 1,2", рис.3.2,а и возрастанию уровня "нуля" пеленгационной характеристики до -33,6 дБ, рис.3.2,6. Амплитудно-фазовая компенсация отказавших АМ приводит к восстановлению уровня "нулевого" излучения и крутизны пеленгационной характеристики, соответствующих доотказному состоянию АФАР как при излучении по нормали к АР, так и при сканировании.

У I

(>Ф©©о©ве©©вФФ©в©совФоо 20 <>©©©©®©©©©®®©©®©®©ое©© <>»®ее®е®е®®®в®е®ео®®оо

('©•©©©©©•©©©••©©©©©ООО

<>оооо*©©ооеоо©©ео©еооо 15 о©©©©©о*е®0©®©©©е®©©о© <>©еоеооо©0©вв®о©*©©о©о (■©©••©•©©оо«ее*о©оо*©о <>©©©©©©о©©о®©©®оооое©о

('©«©©•©•©•©«••©©©•©©О©

10 о©во®©©в©в®®®®©©©©©@0© (>©«•©©•©©©©©©©©©©©••©0 <>®®о©еве®«®е»©*о©ее©оо (>®©©©©©©©0©©®©©©0©©0*0 <>• ©в©©® »©©в®® в®©©©»©©© <>©©»®®©®»е©©веео©е©©о© 5 (>©©©е®ове©©©»®®о»е©еео

ое®®е®е®®®е®»ееееос®ее < >•••©©©©©•©•©•©©©©©©©©

о©о©®®®ее®®е»®е©оо®о®о

ив©©«©»©©©©®©©©©©©©»©©

О ©ооооооооооооооооооооо 0 5 10 15 20

11

-- л к --

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 в, град

-0,3 -0,24 -0,18 -0,12 -0,06 0 0,06 0,12 0,18 в, град

б)

Рис.3.2.

В Заключении диссертации приведены основные результаты, полученные в процессе ее выполнения.

В Приложении П.1 рассматривается одна из возможных схем построения устройств регистрации неисправных АМ и их компенсации. Приложение П.2 отражает специфику влияния фазовой коррекции отказавшего АМ на характеристики направленности АФАР при сканировании.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Разработан метод восстановления характеристик направленности АФАР в реальном масштабе времени при отказах АМ; проанализированы возможности практического осуществления компенсации влияния отказов АМ на ДН в широких угловых областях.

Особенность метода - использование комбинации операций внесения амплитудной и фазовой поправок (коррекций) в значения амплитуд и фаз токов (полей) соседних корректирующих излучателей.

В том числе получены следующие основные результаты:

• Разработана математическая модель приемной АФАР, учитывающая выходы из строя (отказы) излучателей, случайно расположенных по раскрыву АР, и их компенсацию от соседних работоспособных излучателей в столбце каждого отказа.

• Проведено математическое моделирование влияния отказов АМ на ДН приемной АФАР, среднеквадратичный уровень (<СКУ) боковых лепестков и КНД при различном числе отказавших АМ и на основе разработанного алгоритма проанализирована эффективность амплитудно-фазовой компенсации. Показано, что амплитудная компенсация позволяет полностью восстановить ДН АФАР в любой (одной) выбранной плоскости АР и вблизи нее, например, азимутальной. Однако при этом дополнительно искажается ДН в других плоскостях. Роль фазовой коррекции - избежать этого ухудшения в широких угловых областях в плоскостях, не совпадающих с основной азимутальной плоскостью.

• Выявлены:

- эффект асимметрии в форме ДН АФАР в угломестной и промежуточных плоскостях, вызванный введением дополнительной фазовой коррекции, выражающийся в том, что с одной стороны от главного максимума ДН УБЛ уменьшается, стремясь к доотказному уровню как при излучении по нормали, так и при сканировании, а с другой - возрастает.

- величина вносимого корректирующего фазового сдвига, реализующая наиболее протяженную область со скомпенсированным УБЛ по одну сторону от главного максимума ДН, равная (у = ±(15 ... 30')). Конкретная величина фазового сдвига выбирается с учетом шага решетки, амплитудного распределения по раскрыву, сектора сканирования и допустимого снижения

- зависимость характеристик направленности при данном вносимом корректирующем фазовом сдвиге от шага решетки в угломестной плоскости■ чем он меньше, тем более широкой может быть реализована угловая область со скомпенсированным УБЛ по одну сторону от главного максимума ДН. Соответственно в большей угловой области отклонения секущей плоскости ДН от азимутальной значения СКУ боковых лепестков при компенсации отказов АМ равны значениям СКУ боковых лепестков до отказов.

- степень снижения КНД при амплитудно-фазовой компенсации отказавших АМ. Например, в случае отказа 12% излучателей в плоской прямоугольной АР с косинус-квадратным амплитудным распределением

доотказном состоянии.

• Исследовано влияние смены закона амплитудного распределения по раскрыву АР на протяженность угловой области улучшения СКУ боковых лепестков после амплитудно-фазовой компенсации отказавших АМ. Показано, что эта область тем шире, чем выше расчетный УБЛ .

• Установлено влияние отказов АМ на крутизну и уровень "нуля" разностной ДН (РДН) в пеленгационном направлении при различных амплитудных распределениях по раскрыву АР и направлениях главного максимума ДН в пространстве. Например, при отказе 12% АМ и спадающем амплитудном распределении (¿ = 0,08) уровень максимумов РДН в угломестной плоскости снижается на 1,35 дБ, ширина угловой области "нулевого" излучения по уровню половинной мощности увеличивается с 3,8*

КНД.

снижение КНД не превышает 1 дБ относительно КНД в

до 4,4*, а уровень "нуля" пеленгационной характеристики составляет -33,6 дБ. Амплитудно-фазовая компенсация отказавших AM приводит к восстановлению уровня "нулевого" излучения и крутизны пеленгационной характеристики, соответствующих доотказному состоянию АФАР.

• Развитый метод восстановления работоспособности АФАР в реальном масштабе времени при отказах AM и проведенное численное моделирование показывают, что осуществление амплитудно-фазовой компенсации отказов не требует предварительных громоздких вычислений, легко реализуемо на практике и приводит к характеристикам направленности, которые отвечают тактико-техническим (эксплуатационным) требованиям многих бортовых и наземных PJIC.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Гостюхин A.B. Характеристики направленности активных ФАР при различных амплитудных распределениях в раскрыве и отказах активных модулей // Антенны. - 2003. - Вып.05 (72). - С.7-11.

2. Гостюхин A.B. Восстановление характеристик направленности активных ФАР при отказах активных модулей и немонохроматическом сигнале. - Сб. Материалы XIII Международной конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". - Севастополь, 2003. - С.408-409.

3. Гостюхин A.B., Трусов В.Н. Характеристики активных ФАР при отказах активных модулей // Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д.И.Воскресенского и А.И.Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004. - 488 с.

4. Гостюхин A.B., Трусов В.Н. Коррекция характеристик направленности активных фазированных решеток при отказах активных модулей // Антенны. -2003. - Вып.03-04 (70-71). - С. 15-23.

5. Гостюхин A.B., Гостюхин В.Л., Трусов В.Н. Восстановление характеристик направленности активных ФАР при выходе из строя активных модулей // Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот. - 2002. -Т.10, №3 (35). -С.4-12.

6. Трусов В.Н., Гостюхин A.B. Математическое моделирование широкополосного излучателя активной антенной решетки при импульсной форме сигнала // Сб. научных трудов института "Бортовые радиотехнические устройства и защита информации". -М.: МАИ, 2001. С.12-16.

7. Гостюхин B.JL, Трусов В.Н., Гостюхин A.B. Прохождение широкополосных сигналов в активных ФАР. - Сб. Материалы XII Международной конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". - Севастополь, 2002 - С.290-291.

8. Гостюхин B.JI., Трусов В.Н., Гостюхин A.B. Характеристики активных фазированных антенных решеток, излучающих периодическую последовательность импульсов с линейно-частотной модуляцией при технологических погрешностях активной и пассивной элементных баз // Антенны. - 1998. - №2 (41). - С.31-36.

9. Гостюхин B.JI., Трусов В.Н., Гостюхин A.B. Активная фазированная антенная решетка, излучающая JI4M импульсную последовательность. Сб.: Материалы III Международной конференции "Теория и техника антенн". -Севастополь: Севастопольский государственный технический университет, 1999. -С.212-213.

Ю.Гостюхин B.JI., Трусов В.Н., Гостюхин A.B. Влияние частотных искажений в каналах АФАР на характеристики излучения. - Сб.: Материалы V обменного научного семинара "Микроэлектроника и высокочастотная техника",-Германия: Мюнхенский технический университет, 1997.-С.76-79.

11.Гостюхин A.B., Трусов В.Н. Многофункциональная бортовая антенна мобильной телефонной связи и приема сигналов радио и телевизионного вещания // Сб. научных трудов института "Бортовые радиотехнические устройства и защита информации". - М.: МАИ, 2001.С.31-36.

Множительный центр МАИ Зак. О¡1 гооЧт. ¿'/ТО. 40

РНБ Русский фонд

2006-4 2764

1Р--716

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОМПЕНСАЦИИ

ОТКАЗАВШЕГО АКТИВНОГО МОДУЛЯ АФАР

1.1 Постановка задачи

1.2 Восстановление ДН АФАР в азимутальной плоскости

1.3 Выбор способа осуществления амплитудной компенсации отказавшего AM

1.4 Компенсация искажений ДН АФАР в угломестной плоскости

1.5 Совместная амплитудно-фазовая компенсация искажений ДН АФАР

1.6 Особенности фазового метода коррекции отказавшего AM

1.7 Сравнение теоретических результатов с экспериментальными данными

Выводы

Глава 2 ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ПРИ

МНОЖЕСТВЕННЫХ ОТКАЗАХ АКТИВНЫХ МОДУЛЕЙ.

2.1 Особенности методики амплитудной и фазовой компенсаций при выходе из строя большого числа AM

2.2 Диаграммы направленности и СКУ боковых лепестков при амплитудной и амплитудно-фазовой компенсациях отказавших AM

2.3 Среднеквадратичный УБЛ при амплитудно-фазовой компенсации отказавших AM и варьировании шага решетки в угломестной плоскости

2.4 Среднеквадратичный УБЛ и ДН АФАР при смене амплитудного распределения по раскрыву АР

2.5 Коэффициент направленного действия АФАР при отказах AM

Выводы

Глава 3 РАЗНОСТНЫЕ ДН АФАР ПРИ ОТКАЗАХ АКТИВНЫХ МОДУЛЕЙ

И ИХ КОМПЕНСАЦИИ

3.1 Постановка задачи

3.2 Восстановление суммарных и разностных ДН АФАР при отказах AM и различных амплитудных распределениях по раскрыву АР

3.3 Суммарные и разностные ДН АФАР при сканировании

Выводы

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 раскрыву 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.

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 PJIC - 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

С течением времени при эксплуатации АФАР возможны ухудшения их характеристик из-за отказов AM в случае выходов из строя каких-либо активных 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 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:

1. Замена отказавших AM.

2. 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].

ДР. [1,2]. в режиме приема требования к УБЛ весьма жесткие

При первом подходе необходимо прекращение функционирования АФАР и проведение соответствующих ремонтно-восстановительных работ после отказа п -го количества излучателей или, если это предусмотрено и доступно, осуществить замену в рабочем режиме в допустимое время (/<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 N = 31 и шагом d = 0,6Л при трех отказавших излучателях, расположенных вблизи периферии АР. Амплитудное распределение - спадающее с пьедесталом b = 0,1, реализующее УБЛ = -35 дБ.

Измеренная ДН АФАР по мощности до отказов AM имеет уровень максимального бокового лепестка УБЛтах = -30,9 дБ и максимальный коэффициент усиления Gmax = 20,8 дБ. Главный луч осесимметричен с шириной ДН по половинной мощности 2^05 =12,86о. Эффект отказов - увеличение уровня максимального бокового лепестка до УБЛтах = -27,4 дБ и уменьшение максимального коэффициента усиления до Gmax = 20,5 дБ. Сечение главного луча становится слегка эллиптическим. В синтезированной ДН УБЛтгх = —31,3 дБ и Gmax=19,5 дБ. Главный луч также имеет эллиптическое сечение с минимальной шириной ДН по половинной мощности 2#0 5 =13,71° и максимальной 2в0 5 =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 УБЛ 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.

Так, если на линейную равноамплитудную эквидистантную АФАР с шагом d падает одиночная плоская волна р, то при известном угле падения вр (или, что то же самое, известном линейном законе изменения фазы ц/р по раскрыву АР) выходной сигнал л-го излучателя с комплексной амплитудой Ар, обусловленный падающей волной, будет

Е„ = Ае^'е^" ,

П р 7 где ¥Р —~r~dsinep. ар

Тогда требуемый сигнал при отказе т -го излучателя может быть представлен в "терминах" компонентов цифрового сигнала в любом п -ом излучателе как

Ет = (А/^е'"^ ) еЛт~п)^ .

Таким образом, сигнал Ет отнесен к т -му отказавшему излучателю экспоненциальным множителем exp\j{m-n)i//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].

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.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. На основе компенсационного метода развита методика коррекции в реальном масштабе времени АФР по раскрыву АР при выходе из строя (отказах) AM.

2. 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.

3. 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. С.А.Лавочкина 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).

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.

Выводы

1. Выявлены особенности влияния отказов AM на крутизну разностной ДН в пеленгационном направлении. В случае равномерного распределения по раскрыву АР и 12% отказавших излучателей ширина угловой области "нулевого" излучения между максимумами РДН по половинной мощности в азимутальной плоскости увеличивается на 20% по сравнению с доотказным случаем, а уровень "нуля" составляет -47,7 дБ.

При косинус-квадратном амплитудном распределении с пьедесталом b = 0,08 это увеличение составляет 22%, а уровень "нуля" равен - 42,6 дБ, т.е. возрастает примерно на 5 дБ.

2. Установлено, что РДН АФАР в угломестной плоскости при равномерном возбуждении раскрыва АР близки к характеристикам направленности в азимутальной плоскости. Однако введение фазовой коррекции (v = ±30°) приводит к асимметрии суммарной ДН из-за изменения фазового распределения по раскрыву АР и, соответственно, к различию уровней максимумов РДН (0,538 и 0,51 относительно главного максимума суммарной ДН). Уровень "нуля" РДН равен при этом -47,7 дБ.

При спадающем амплитудном распределении (b = 0,08) уровень излучения в пеленгационном направлении принимает значение -33,6 дБ относительно величины -42,6 дБ в азимутальной плоскости (возрастание на 9 дБ).

3. Показано, что при сканировании уровень "нуля" до отказов AM "заплывает" по сравнению со случаем излучения по нормали к АР. Так в случае отклонения луча в азимутальной плоскости на угол у = 30° этот уровень составляет —70,1 дБ при равномерном и -74 дБ при косинус-квадратном амплитудных распределениях. Отказ 12% излучателей вызывает возрастание уровня "нуля" до значений -47,6 дБ и -42,6 дБ соответственно, а ширина угловой области "нулевого" излучения увеличивается на 16% при равномерном и на 22% при косинус-квадратном амплитудных распределениях.

4. Амплитудная и амплитудно-фазовая компенсации отказавших AM приводят к восстановлению основных параметров РДН в азимутальной и угломестной плоскостях: уровня "нуля" и ширины угловой области "нулевого" излучения, соответствующих доотказному состоянию АФАР.

100

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан метод восстановления характеристик направленности АФАР в реальном масштабе времени при отказах AM; проанализированы возможности практического осуществления компенсации влияния отказов AM на ДН в широких угловых областях.

Особенность метода - использование комбинации операций внесения амплитудной и фазовой поправок (коррекций) в значения амплитуд и фаз токов (полей) соседних корректирующих излучателей.

В том числе получены следующие основные результаты:

• Разработана математическая модель приемной АФАР, учитывающая выходы из строя (отказы) AM (излучателей), случайно расположенных по полотну АР, и их компенсацию от соседних работоспособных излучателей в столбце каждого отказа.

• Проведено математическое моделирование влияния отказов AM на ДН приемной АФАР, среднеквадратичный уровень (<СКУ) боковых лепестков и КНД при различном числе отказавших AM и на основе разработанного алгоритма проанализирована эффективность амплитудно-фазовой компенсации. Показано, что амплитудная компенсация позволяет полностью восстановить ДН АФАР в любой (одной) выбранной плоскости АР и вблизи нее, например, азимутальной. Однако при этом дополнительно искажается ДН в других плоскостях. Роль фазовой коррекции - избежать этого ухудшения в широких угловых областях в плоскостях, не совпадающих с основной азимутальной плоскостью.

• Выявлены:

- эффект асимметрии в форме ДН АФАР в угломестной и промежуточных плоскостях, вызванный введением дополнительной фазовой коррекции, выражающийся в том, что с одной стороны от главного максимума ДН УБЛ уменьшается, стремясь к доотказному уровню как при излучении по нормали к АР, так и при сканировании, а с другой - возрастает.

- величина вносимого корректирующего фазового сдвига, реализующая наиболее протяженную угловую область с компенсированным УБЛ с одной стороны от главного максимума ДН, равная (v = ±(l5 . 30°)). Конкретная величина вносимого корректирующего фазового сдвига выбирается с учетом шага решетки, амплитудного распределения по раскрыву АР, сектора сканирования и допустимого снижения КНД.

- зависимость характеристик направленности АФАР при данном вносимом корректирующем фазовом сдвиге от шага решетки в угломестной плоскости: чем он меньше, тем более широкой может быть реализована угловая область с компенсированным УБЛ с одной стороны от главного максимума ДН. Соответственно в большей угловой области отклонения секущей плоскости ДН от азимутальной значения СКУ боковых лепестков при компенсации отказов AM равны значениям СКУ боковых лепестков до отказов.

- степень снижения КНД при амплитудно-фазовой компенсации отказавших AM. Например, в случае отказов 12% излучателей в плоской прямоугольной АР с косинус-квадратным амплитудным распределением (УБЛ = -40 дБ) снижение КНД не превышает 1 дБ относительно КНД в доотказном состоянии.

• Исследовано влияние смены закона амплитудного распределения по раскрыву АР на протяженность угловой области улучшения СКУ боковых лепестков после амплитудно-фазовой компенсации отказавших AM. Показано, что эта область тем шире, чем выше расчетный УБЛ .

• Установлено влияние отказов AM на крутизну и уровень "нуля" разностной ДН (РДН) в пеленгационном направлении при различных амплитудных распределениях по раскрыву АР и направлениях главного максимума ДН в пространстве. Например, при отказах 12% AM и спадающем амплитудном распределении (b = 0,08) уровень максимумов РДН в угломестной плоскости снижается на 1,35 дБ, ширина угловой области "нулевого" излучения по уровню половинной мощности увеличивается с 3,8° до 4,4°, а уровень "нуля" пеленгационной характеристики составляет -33,6дБ. Амплитудно-фазовая компенсация отказавших AM приводит к восстановлению уровня "нулевого" излучения и крутизны пеленгационной характеристики, соответствующих доотказному состоянию АФАР.

• Развитый метод восстановления работоспособности АФАР в реальном масштабе времени при отказах AM и проведенное численное моделирование показывают, что осуществление амплитудно-фазовой компенсации отказов AM не требует предварительных громоздких вычислений, легко реализуемо на практике и приводит к характеристикам направленности, которые отвечают тактико-техническим (эксплуатационным) требованиям многих бортовых и наземных PJIC.

1П?

1. Гостюхин В.Л., Трусов В.Н., Климачев К.Г., Данич Ю.С. Активные фазированные антенные решетки / Под ред. В.Л.Гостюхина. М.: Радио и связь, 1993.-272 с.

2. Peters T.J. A conjugate gradient-based algorithm to minimize the sidelobe level of planar arrays with element failures // IEEE Trans. Antennas and Propagations. — 1991.-V.39, Oct.-P. 1497-1504.

3. Wright B.J., Brandwood D.H. Planar array optimization with failed elements // Microwaves and RF. Wembley, U.K.: Roke Manor Res. Ltd., 1995.

4. Yang Y., Stark H. Design of self-healing arrays using vector-space projections // IEEE Trans, on Antennas and Propagation. 2001. - V.49, №4. - P. 526-534.

5. Maillous R.J. Array failure correction with a digitally beamformed array // IEEE Trans. Antennas and Propagations. 1996.-V.44, Dec. - P. 1543-1550.

6. Maillous R.J. Phased array error correction scheme // Electron. Letters. -1993. — V.29, № 7. P. 573-574.

7. Levitas M., Horton D.A, Cheston T.C. Practical failure compensation in active phased arrays // IEEE Trans. Antennas and Propagations. 1999. - V.47, № 3, - P. 524-534.

8. Динаева H.C. Конструирование механизмов антенн. M.: Изд-во МАИ, 2002. -340 с.

9. Ю.Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Гос. изд-во физико-математической литературы, 1962. - 561 с.

10. Miller C.J., Holdes M.J. W-2000-an advanced long range 3-D radar // Microwave J. -1983. -Vol.26, №10. -P. 103-120.

11. Reudink D.O., Yeh Y.S., Acampora A.S. A phased array for a 12/14 GHz TDMA transponder // EASCON'78, Arlington, Va. 1978. - Vol.1, - P. 417.

12. Радиопередающие устройства / Под ред. М.В.Благовещенского, Г.М.Уткина. -М.: Радио и связь, 1982. 408 с.

13. Cohn М., Degenford J.E., Freitag R.G. Class В operation of microwave FETs for array module applications // IEEE MTT-S Dig., Dallas. 1982. - P. 169-171.

14. Баженов В.И. Основы теории радиоприема. — М.: Государственное техническое издательство, 1930.-417 с.

15. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия, 1975. - 528 с.

16. Ямпольский В.Г., Фролов О.П. Антенны и ЭМС. М.: Радио и связь, 1983. -272 с.

17. Гостюхин А.В., Трусов В.Н. Коррекция характеристик направленности активных ФАР при отказах активных модулей. Сб. Антенны, 2003, вып.3-4 (70-71),-15-23 с.

18. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. -М. -Д.: Энергия, 1966. 648 с.

19. Гостюхин А.В. Характеристики направленности активных ФАР при различных амплитудных распределениях в раскрыве и отказах активных модулей. Сб. Антенны, 2003, вып.5 (72), - 17-21 с.

20. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И. Антенны и устройства СВЧ / Под ред. Д.И.Воскресенского. М.: Изд-во МАИ, 1999.-528 с.

21. Гостюхин 'Д.В., Трусов В.Н. Характеристики активных ФАР при отказах активных модулей // Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д.И.Воскресенского и А.И.Канащенкова. М.: Радиотехника, 2004. - 488 с.

22. Lo K.W., Vu Т.В. Improving performance of monopulse phased array in direction finding // Proc.IEEE. 1988, 135, Pt.H, № 6. P.391-394.