Главная > Разное > Активные фазированные антенные решетки
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

ГЛАВА 11. Характеристики активных ФАР при отказах активных модулей

11.1. Постановка задачи

В последние годы большое внимание уделяется разработке фазированных активных решеток (ФАР), применяющихся в высокоинформативных радиокомплексах различного назначения Использование в таких комплексах активных ФАР (АФАР) открывает дополнительные возможности по гибкости управления характеристиками системы в целом и расширения круга решаемых задач. В зависимости от предъявляемых требований такие антенные системы содержат от сотен до нескольких тысяч активных модулей (AM). В связи с этим вероятность выхода из строя (отказов) по сравнению с пассивной ФАР - повышается. Соответственно встают вопросы обеспечения надежности функционирования АФАР в подобных условиях.

Рассмотрим методы компенсации случайного выхода из строя активных модулей активных ФАР для поддержания характеристик на уровне, близком к доотказному состоянию. Известны различные подходы к восстановлению нормального функционирования АФАР с отказавшими Так в работах [1,2] рассматриваются методы синтеза новых оптимальных на основе оставшихся работоспособных (излучателей). Разработаны алгоритмы, которые выдают повторно конфигурируемое распределение по раскрыву [3, 4], отвечающее определенному критерию Однако подобные подходы к компенсации отказов требуют, в общем случае, больших вычислительных затрат.

Метод компенсации отказавших (излучателей) путем корректировки амплитуд и фаз токов (полей) соседних излучателей, в противоположность оптимизационным методам, не требует громоздких вычислений, и легко осуществим на практике [5]. Метод более прост и применим при любой отказавшей элементной конфигурации в антенном полотне, независимо от назначения радиокомплекса.

Методы компенсации отказов AM в АФАР могут использоваться как при работе в режиме передачи, так и приема, однако дальнейшее рассмотрение проводится на примере приемных АФАР. Это связано с тем, что требования к УБЛ при приеме более жесткие, чем при передаче. Что касается режима передачи, то в случае многофункциональных

РЛС, мобильных и космических радиокомплексов связи реализация заданных законов АФР по раскрыву АФАР при сканировании, управление уровнем излучаемой мощности требуют построения на основе линейных усилителей мощности с регулируемым усилением [6, 7]. Это дает возможность осуществления компенсации отказов и в режиме передачи. В случае с нелинейными усилителями мощности, работающими в слегка перенапряженном режиме [8], возможности проведения амплитудной коррекции ограничены [9].

Процедура осуществления компенсации предполагает при отказе подключение отказавших излучателей к согласованной нагрузке, т.е. выключение соответствующих рабочих каналов. Это позволяет не определять причину отказа, которая, в общем случае, может привести к режиму холостого хода или короткого замыкания в линии питания излучателя, либо к его реактивной или комплексной нагрузке, что скажется на характере и величине поля обратного излучения [10, 11]. Другое предположение — работоспособность узлов не должна нарушаться при переключении излучателей с отказавшими на согласованные нагрузки.

Процесс компенсации при отказе включает два последовательных действия.

Первое — восстановление решетки в и около рассматриваемой плоскости.

Второе — восстановление частично искаженной в ортогональной плоскости и в промежуточных плоскостях [12].

Размещение излучателей прямоугольной АР и используемая система пространственных координат показаны на рис. 11.1. Излучатели расположены в узлах прямоугольной сетки; число излучателей вдоль осей четные числа); период размещения излучателей вдоль соответствующих осей, общее число излучателей решетки —

Диаграмма направленности АР в общем виде представляется соотношением

Рис. 11.1. Излучатели прямоугольной и связанная с пей система пространственных координат

где комплексная амплитуда возбуждения излучателя направляющие косинусы вектора точки наблюдения относительно осей (рис. 11.1); углы сферической системы координат.

Для формирования главного лепестка в направлении комплексные амплитуды излучателей

Здесь А — амплитуда возбуждения излучателя

Амплитудное распределение по изотропных излучателей — косинус-квадратное с пьедесталом одинаковое вдоль осей X и К:

Такое распределение обеспечивает [13].

Отказ любого будем моделировать приравниванием нулю амплитуды возбуждения соответствующего излучателя. Например, если в решетке отказал элемент то при расчете с отказавшим элементом полагаем:

Здесь комплексные амплитуды возбуждения излучателей с отказавшим

Для компенсации влияния отказа элемента на ее в плоскости используются соседние элементы столбца

Подобная половинная амплитудная компенсация двумя соседними излучателями в столбце позволяет восстановить только в одной (азимутальной) плоскости.

При отклонении от азимутальной плоскости местоположения компенсирующих элементов относительно этой плоскости иные, нежели в основной азимутальной плоскости; они различаются в зависимости от расположения элемента отказа, и соответственно «компенсационное» амплитудное распределение будет отличаться от доотказного распределения в этих плоскостях. Поэтому эффект от проведенной компенсации на поведение в других плоскостях менее значителен, чем в азимутальной плоскости.

Наиболее существенно искажается при этом в угломестной плоскости (плоскость ). Здесь к возрастанию УБЛ, вызванного отказом излучателя добавляется увеличение УБЛ за счет проведенной амплитудной компенсации искажения в азимутальной плоскости.

В принципе, используя рассматриваемую амплитудную методику, можно компенсировать влияние отказавшего элемента на в угломестной плоскости, увеличивая амплитуды двух соседних излучателей в пределах строки отказавшего элемента. Однако это изменило бы функцию амплитудного распределения, уже реализованную в азимутальной плоскости и ухудшило бы в этой плоскости. В связи с этим воспользуемся иным подходом.

Как известно [13], регулируя фазовые соотношения между отдельными излучателями можно осуществить компенсационное подавление бокового излучения по ряду направлений или в каком-либо угловом секторе. Поэтому искажение в ортогональной (угломестной) плоскости, вызванное проведением амплитудной коррекции отказа в азимутальной плоскости (рис. 11.1), может быть уменьшено в некотором угловом секторе за счет управления фазой элементов осуществляющих компенсацию отказавшего элемента. В этом случае комплексные амплитуды излучателей (входящие в (11.1)) при компенсации отказа двумя соседними элементами с фазовой поправкой определяются следующим образом:

где корректирующий фазовый сдвиг, отсчитываемый относительно оси главного максимума

На рис. 11.2 показаны три соседних излучателя центрального столбца выходы которых подключены к соответствующим фазовращателям. Для удобства дальнейшего рассмотрения разделим условно пространство относительно направления главного луча в вертикальной (угломестной) плоскости на три области: «горизонтальную» плоскость оси луча, верхнюю и нижнюю полусферы. Когда луч направлен по нормали к «горизонтальная» плоскость оси луча совпадает с горизонтальной плоскостью в выбранной системе координат

Корректирующий фазовый сдвиг (как и амплитуды корректирующих излучателей) выбираем в соответствии с результатами корректировки с единичным отказавшим элементом [12]. Возможно уточнение величины вносимого фазового сдвига путем сравнения (оптимизации) отдельных коррекций, например, для различного процента отказавших элементов, их распределения по полотну, группировки, размеров областей с отказами Как будет показано далее, использование корректирующего фазового сдвига, определенного при моделировании отказа одиночного элемента пртодит к существенному улучшению характеристик в определенных областях пространства также и при множественных отказах.

Таким образом, компенсация искажений в достигается путем одновременного совмещения (суперпозиции) компенсаций индивидуальных отказов.

Подобная методика может применяться, пока отказавшие элементы достаточно удалены друг от друга. Когда отказавшие элементы близки, то некоторые соседние излучатели должны компенсировать

Рис. П.2. К пояснению влияния дополнительной фазовой компенсации на в угломестной плоскости

больше, чем один отказ. Когда отказавшие элементы — непосредственные соседи, идеальные компенсации не могут быть осуществлены, потому что элементы, которые должны компенсировать другие элементные отказы, сами являются отказавшими. Отказавшие элементы на краях находятся в подобном положении, не имеют "полных" соседей. Применительно к этим случаям могут быть сформулированы следующие подходы при моделировании:

1. Амплитудная компенсация (рис. 11.3). Один из непосредственных соседних элементов отказавшего элемента (например, 5) сам является отказавшим (14), его парный элемент (8) будет принимать свою амплитудную (половинную до отказа) коррекцию от (2) независимо от этого отказа. (Таким образом, при моделировании полная компенсация элемента (8) при отказе элемента (14) не производится в целях упрощения алгоритма компенсации, что, в принципе, может быть осуществлено) Тот же самый подход применяется, когда парный элемент отсутствует (например, для 22) из-за края АР (в этом случае элемент 22 получает компенсацию только от элемента 16 (половинную до отказа)).

Рис. 11.3. К пояснению правил осуществления компенсации отказов излучателей

2. Фазовая компенсация (рис. 1 1.3). Один из элементов компенсационной пары отсутствует из-за отказа (например, 14 для компенсационной пары 2—14 отказавшего элемента 8 или близости к краю решетки, например, в случае компенсации отказа элемента 22); остающийся элемент (2 или 16) не будет выполнять компенсационное вращение фазы (для компенсации отказа элемента 8 или 22). Такое допущение принято для того, чтобы минимизировать нежелательное полное изменение фазы по раскрыву Другими словами, компенсация путем внесения фазового сдвига выполняется только тогда, когда существуют соседние пары (например, 5 - 17 в случае компенсации отказа элемента ).

Случайный выбор отказавших элементов (см. рис. 11.1) осуществляется в соответствии со следующей процедурой:

все элементы нумеруются, начиная с нулевого элемента, находящегося в начале координат. Вначале нумеруются элементы нулевой строки (расположенной вдоль оси X), потом элементы первой строки и так далее до последнего элемента задается общее число отказавших элементов каждому отказавшему элементу присваивается порядковый

ловный) номер лежащий в пределах от 0 до используя датчик случайных чисел ЭВМ, генерируются случайные величины имеющие равномерное распределение вероятностей на интервале [0,1].

При сравнении характеристик с отказавшими элементами до и после компенсации отказов кроме поля излучения рассчитывался также среднеквадратичный уровень боковых лепестков (средний по мощности) Знание (и минимизация) боковых лепестков необходимо с точки зрения помехозащищенности от большого числа помех со случайными фазами и различными направлениями прихода, помехозащищенность высоконаправленных антенн в основном определяется уровнем их бокового излучения [13, 14].

Рис. П.4. К пояснению расчета боковых лепестков в координатах по мощности - число дискретных отсчетов по углу в

При расчете боковых лепестков предполагалось, что главный лепесток ограничен первыми нулями (величины , рис 11.4). Определялся как результирующий СКУ боковых лепестков, так и УБЛ слева (снизу) и справа (сверху) от главного лепестка диаграммы АР, т. е. в интервалах углов (от -90° до ) и (от 61 до 90°).

При формировании главного максимума в напранлении по мощности рассчитывались в соответствии с выражениями (11.1), (11.2) и значениями комплексных амплитуд При численных расчетах в различных плоскостях число дискретов по углу в принималось равным т.е. рассчитывалась в направлениях при этом нулевому отсчету соответствовал угол наблюдения от нормали к решетке, а отсчету угол наблюдения Общее число отсчетов составляло

Значения угла наклона рассматриваемой плоскости относительно азимутальной изменялись от 0 до 90° с интервалом 5° и определялись соотношением где При этом общее число сечений пространственной плоскостями составляет

. Нулевому сечению соответствует плоскость а сечению плоскость

СКУ боковых лепестков как общий, так и в различных областях относительно главного луча, определялся по выражениям

где боковых лепестков (по мощности) в сечении плоскостью слева от главного максимума, т.е. в области углов в (от -90° до 61); боковых лепестков в сечении плоскостью ; справа от главного максимума, т.е. в области углов до боковых лепестков в плоскости число отсчетов (точек) в области боковых лепестков слева от главного максимума; число отсчетов (точек) в области боковых лепестков справа от главного максимума; — общее число отсчетов в области боковых лепестков; — уровень по мощности в направлении главного максимума; уровень в сечении плоскостью соответствующий отсчету (углу) с номером .

Моделирование множественных отказов на основе изложенной выше методики проведем на примере плоской с числом излучателей (см. рис. 11.1) при случайных отказах 4% и 12% AM [15].

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление