Гостюхін А. В. Московський авіаційний інститут Волоколамське ш., 4, Москва 125993, Росія тел: 095-1584740; e-mail: antenna@mai.ru

Анотація На основі компенсаційного методу розглянуто відновлення характеристик спрямованості активних ФАР при випадкових відмовах активних модулів і лінійно-частотному модульованому сигналі. Проведено порівняння отриманих результатів з випадком проходження через антенну решітку монохроматичного сигналу.

I. Вступ

В радіосистемах з активними ФАР (АФАРСЬКА) випадковий вихід з ладу активних модулів (AM) призводить до погіршення їх потенційних можливостей. Враховуючи взаємозв’язок між параметрами АФАРСЬКА і сигналу, при відновленні характеристик спрямованості АФАРСЬКА [1] необхідно враховувати особливості проходження через антенну решітку (АР) складних видів сигналів.

II. Основна частина

Fig.1. Antenna array and coordinate system chosen

Через наявність в кожному каналі АФАРСЬКА активних модулів при великих розмірах АР ймовірність їх виходу з ладу (відмови) при експлуатації підвищується. Ефект таких відмов виражається в спотворенні діаграми спрямованості (ДН), зниженні потенціалу, погіршенні відносини сигнал / шум. В [1] наведені результати дослідження характеристик АФАРСЬКА при відмовах AM (випромінювачів) і їх відновлення в реальному масштабі часу на основі корекції амплітуд і фаз струмів (полів) сусідніх працездатних випромінювачів для випадку монохроматичного сигналу.

Розглянемо вплив на характеристики спрямованості АФАРСЬКА відмов AM при лінійно-частотно модульованих (ЛЧМ) імпульсних сигналах. Активну ФАР з ЛЧМ сигналом можна розглядати в якості характерного прикладу АР з сигналами спільного, більш широкого класу.

Puc. 2. ДН АФАРСЬКА в угломестной площині Fig. 2. APAA far field pattern in elevation plane

Нехай повна девіація частоти 2ffl = 100 МГц, база сигналу 2ffli = 100 (т тривалість імпульсу) і центральна частота заповнення імпульсу 2fo = 109 Гц. У зв’язку зі складністю аналітичного рішення, оцінку впливу відмов AM АФАРСЬКА з ЛЧМ сигналами на характеристики антеною решітки проведемо чисельним методом на частотах п складових спектра.

Результуючі ДН АР визначимо усередненням характеристик спрямованості від кожної n-ой складової спектру з використанням загальних співвідношень [1] шляхом чисельного моделювання з використанням системи MathCAD. Отримані результати, для підтвердження достовірності, порівняємо з результатами визначення ДН антеною решітки з ЛЧМ імпульсними сигналами на основі принципу “просторово-частотної еквівалентності " [2].

Приймемо форму розкриву АФАРСЬКА прямокутної з числом випромінювачів (Nx+1)x(Ny+1) = 21-21 = 441, рис.1. Розрахункові ДН АФАРСЬКА по потужності при відмові 4% AM, кроці решітки dx=0,6X, dy= 0,3 X, рівні бічних пелюсток (УБЛ) ^ = -40 дБ і ЛЧМ імпульсному сигналі наведені на рис.2. На малюнку прийняті позначення: С90, С90про, СЕОокф ДН в угломестной площині (ф = 90 °) до відмов AM, при відмовах і амплітуднофазовой компенсації, застосовуючи половинну амплітудну і 30-ти градусну фазову (v = 30 °) корекцію відмовили випромінювачів сусідніми випромінювачами в стовпці кожного відмови АР. Розрахунки показують, що ширина ДН при відмовах AM змінюється незначно, однак УБЛ зростає приблизно на 10 дБ. Амплітудно-фазова корекція призводить фактично до повного відновлення ДН в області бокового випромінювання в нижній (“кращою”) півсфері (9 = 0 … -90 °) при зростанні УБЛ в іншій півсфері. Слід вказати, що в діаграмі спрямованості АФАРСЬКА без відмов AM (крива С90) рівень бічних пелюсток зменшується, напрями нульових випромінювань “запливають”, що характерно для АР з широкосмуговими сигналу-ми [2] порівняно з випадком монохроматичного збудження. У азимутальної площині ДН відновлюється при цьому повністю [1].

Середньоквадратичний рівень (СКУ) бічних пелюсток в різних площинах АР, відповідний розрахунковим ДН з ЛЧМ сигналом (рис.2), показаний на ріс.З, а, де S, S0, S10k4>, Е20кф СКУ бічних пелюсток при відсутності відмов AM, при відмовах і амплітудно-фазової компенсації відповідно в нижній і верхній (9 = 0 … 90 °) півсферах, ср кут нахилу даної площині щодо азимутальної (див. рис.1). Порівняння з розрахунковими даними тієї ж АР з монохроматичним сигналом, рис.3, 6, показує прагнення УБЛ в нижній півсфері до доотказному значенням, що повністю проявляється при наближенні даної площини до угломестной (ср> 75 °) і пов’язане з формою ДН АФАРСЬКА при проходженні через неї сигналу з обмеженим спектром.

Рис. 3. СКУ бічних пелюсток: (а) ЛЧМ сигнал; (б) монохроматичне сигнал

Fig. 3. RMS side lobe level: (a) LFM signal;

(b) monochromatic signal

III. Висновок

Облік реальної форми сигналу в АФАРСЬКА при відновленні характеристик спрямованості показав їх поліпшення з одного боку від головного максимуму ДН.

IV. Список літератури

1. Гостюхін А. В., Трусов В. Н. Корекція характеристик спрямованості АФАРСЬКА при відмовах AM. СБ Антени,

2003, вип. 3-4 (70-71), с. 15-23.

2. Проблеми антеною техніки / Под ред. Л. Д. Бахраха,

Д. І. Воскресенського М.: Радіо і зв’язок, 1989. 368 с.

RECONSTRUCTION THE DIRECTIONAL CHARACTERISTICS OF ACTIVE PHASE ANTENNA ARRAYS WITH FAILURED ACTIVE MODULES FOR UNMONOCHROMATIC SIGNAL

Gostuykhin A. V.

Moscow aviation institute Volokolamskoe 4, Moscow -125993, Russia

tel.: 095-1584740

Abstract Based on compensation method, the reconstruction of directional characteristics of active phase antenna arrays with random failures of active modules and operating with linear

–   frequency modulated signal are considered. Comparison is made of the results obtained with the case of monochromatic signal passing through an antenna array.

I.     Introduction

In radio engineering systems with active phase antenna arrays (APAA) the random failures of active modules result in a deterioration of their potential opportunities. So taking into account the relations between APAA and signal parameters, when reconstructing directional characteristics of APAA [1] it is necessary to take into consideration the features of the compound signal transmission through the APAA.

II.    Main part

The effect of failures is expressed in distortion of the far antenna pattern, decrease of potential, a deterioration of the signal-to-noise ration (SNR). In [1] the results of APAA characteristic analysis and their reconstruction in real time domain are listed for failures of active modules (AM). Analysis is made on the basis of correction the amplitude and phase of currents (fields) of the adjacent still operating radiators in the column for a case of a monochromatic signal.

Let’s consider the effect of AM failures on APAA directional characteristics for linear-frequency modulated (LFM) pulse signals. APAA with a LFM signal is considered to be the typical example of antenna array with the generalized signal of wider class. Due to complexity of analytical solution, the estimation of AM failure effects on APAA performance for LFM signals is performed by numerical calculation at n components of a spectrum.

Consider the rectangular APAA aperture with (Nx+1) x (Ny+1) = =21-21=441 radiators, as shown in fig.1. The APAA power far field patterns calculated for 4% AM failure, array spacing dx=0,6)v, dy=0,3)v and side lobe level (SLL) £=-40 dB for LFM pulsed signal with 2fflx = 100 and 2f0= 109 Hz are shown in fig.2. The notations C90 and C90o, Depicted in fig.2 stand for APAA far field pattern in elevation plane without and with the failures, correspondingly. Whereas С90окф represents the latter case with amplitude-phase compensation on the basis of half amplitude and 30 degrees (v=30°) phase corrections in failure AM-s, made in the columns of every failured AM.

Root-mean-square (RMS) side lobe level (SLL) in the various APAA planes, corresponding to calculated far field patterns of fig.2 for LFM signal is shown in fig. 3,a. Here S and S0, S10K[t,

–    RMS SLL-s without and with AM failures, whereas S20K[t, is that with amplitude-phase compensation in upper and lower (9=0…90°) hemispheres, cpan inclination angle of an observed plane about azimuth plane (see fig. 1).

Calculated results for the same APAA but with a monochromatic signal are depicted in fig. 3,b. Comparison with previous case of LFM signal shows that RMS SLL in the lower hemisphere approaches to a no-failure level. It completely becomes apparent when the plane considered approaches the elevation plane (ф> 75 °) and is connected with far field shape of APAA operating with the signal having the bounded spectrum.

III.   Conclusion

The regard of the real signal form in active phased antenna array during the reconstruction of far field patterns showed their improvement on one side of a far field pattern main lobe.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.