Цифровое диаграммообразование
Рисунок 1. Аналоговое формирование диаграммы направленности антенны
Цифровое диаграммообразование
Аналоговое формирование луча
Способ формирования луча антенны радиолокатора, называемый аналоговым (англ. Analog Beam Forming, ABF), заключается в том, что эхо-сигналы, принятые каждым отдельным элементом фазированной антенной решетки, объединяются на уровне несущей радиочастоты. Полученные таким способом сигналы подаются на вход одного или нескольких (до четырех) приемных каналов, где выполняется преобразование сигналов с переносом спектра в основную полосу частот (или на промежуточную частоту). После этого в аналого-цифровом преобразователе выполняется оцифровка видеосигнала или сигнала на промежуточной частоте.
Рисунок 2. Цифровое формирование диаграммы направленности антенны
Цифровые антенные решетки (ЦАР)
Цифровое формирование луча или цифровое диаграммообразование (англ. Digital Beam Forming, DBF) может быть реализовано на уровне излучающих элементов или их небольших групп (уровень подрешетки). Архитектура цифрового диаграммообразования состоит из совокупности цифровых приемников, по одному на каждый излучающий элемент антенны. Преобразование на промежуточную частоту и оцифровка принятых сигналов реализованы для каждого элемента антенны (или их небольших групп). Шумы и искажения сигналов в каждом таком приемнике декоррелированы по отношению к другим приемникам.
Таким способом одной антенной системой может быть сформировано множество независимых лучей, ориентированных в разных направлениях. Для этого в состав системы входит специальный процессор формирования диаграммы. Достоинства цифрового формирования луча:
- улучшенный динамический диапазон приемника;
- управление несколькими лучами;
- более эффективное и быстрое управление амплитудой и фазой сигналов.
Рисунок 3. Стандартизированный приемо-передающий модуль SMTRM (предоставлен компанией Cassidian, бывшей EADS Defence & Security Ulm)
Рисунок 3. Стандартизированный приемо-передающий модуль SMTRM
(предоставлен компанией
Cassidian Ulm,
бывшей
EADS Defence & Security)
Стандартизированный приемо-передающий модуль
(Standardised Modular Transmit-/Receive-Module, SMTRM®)
Приемо-передающие модули являются ключевыми компонентами технологии цифрового формирования луча. Эти модули включают в себя часть усилителя мощности передатчика и некоторые части приемника. Модули могут производиться серийно для достижения лучшего соотношения «эффективность – стоимость». Благодаря компактной конструкции модулей потери в линиях при обработке сигналов незначительны. Стандартизированные приемо-передающий модули могут использоваться в разных радиолокаторах с небольшими индивидуальными доработками. Например, такие модули используются в многофункциональном радиолокаторе управления огнем Х-диапазона системы противовоздушной обороны MEADS (Medium Extended Air Defence System), в наземном обзорном радиолокаторе BÜR немецких вооруженных сил, космическом радиолокаторе TerraSAR-X и в радиолокаторе E-Captor истребителя Eurofighter.
Стандартизированный приемо-передающий модуль SMTRM представляет собой помещенную в герметичный корпус печатную плату длиной 64,5 мм, шириной 13,5 мм и высотой 4,5 мм. Эта плата содержит усилитель мощности, выполненный в виде двух монолитных интегральных схем, запитываемых с разными фазовыми сдвигами, ферритовый циркулятор для переключения приемного и передающего трактов, монолитный интегрированный ограничитель и малошумящий предусилитель. Принятый сигнал будет преобразовываться на промежуточную частоту. Все цепи выполнены на основе арсенид-галлиевой (GaAs) полупроводниковой технологии.
Процессор формирования диаграммы
Одновременное получение различных диаграмм направленности антенны стало возможным при использовании цифровых приемников, поскольку только цифровой сигнал может быть повторен (скопирован) требуемое количество раз без потерь. На практике принятый сигнал вначале преобразовывается на промежуточную частоту, а затем оцифровывается. Для промежуточной частоты 75 МГц требуется аналого-цифровой преобразователь с частотой дискретизации около 100 МГц.
Рисунок 4. Структурная схема процессора формирования диаграммы
На Рисунке 4 изображена структурная схема типового процессора формирования диаграммы. Каждый элемент фазированной антенной решетки имеет собственный приемный канал с последующим аналого-цифровым преобразователем и цифровым понижающим преобразователем (Digital Down Converter, DDC). Для корректного суммирования в каждом канале имеется специальный фильтр для выравнивания частотной характеристики и регулировки времени распространения в этом канале. Такой фильтр называют фильтром с конечной импульсной характеристикой (finite impulse response, FIR). Этот фильтр настроен на специальную процедуру калибровки. Для выполнения такой калибровки в приемный канал подается известный радиочастотный тестовый сигнал с линейной частотной модуляцией по всей ширине полосы частот либо белый шум известной интенсивности. Весовая обработка для подавления боковых лепестков выполняется также в этом фильтре. Данные со всех аналого-цифровых преобразователей приемных каналов в виде комплексного сигнала (I и Q составляющих) через совокупность распараллеленых фазовращателей на сумматоры. Количество сумматоров определяет количество одновременно формируемых диаграмм направленности антенны на прием. На рисунке количество сумматоров равно 100.