Оценка состояния функционирования фазированной антенной решетки при нарушении работоспособности фазовращателей антенных элементов

Введение. Функционирование многоэлементных антенных систем, в частности волноводно-щелевых фазированных антенных решеток (ВЩФАР) со стабильными характеристиками, позволяет обеспечить требуемые показатели эффективности помехозащищенности и электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств различного назначения. Однако случайный характер изменения фаз антенных элементов (АЭ) в результате неисправностей фазовращателей (ФВ) приводит к резкому ухудшению этих показателей. Поэтому оценка состояния функционирования ВЩФАР при выходе из строя ФВ с любым исходом является актуальной задачей и требует дальнейшего развития. В статье обобщены алгоритмы моделирования влияния отказов на характеристики ВЩФАР и приведены оценки состояния таких антенных систем при указанных неисправностях.

Цель работы. Разработка алгоритма влияния полного выключения ФВ на характеристики ВЩФАР, а также оценка состояния ВЩФАР при нарушении работоспособности ФВ АЭ с различным исходом.

Материалы и методы. При исследовании влияния отказов на характеристики ВЩФАР использовались методы статистического моделирования. Расчеты проводились на ЭВМ с помощью пакета прикладной математики Mathcad 15.

Результаты. Обобщены результаты моделирования 3 видов неисправностей, при которых устанавливались следующие параметры ФВ: фаза принимала значение, равное 0, вместо требуемого; фаза принимала случайное значение с дискретом 22.5° вместо требуемого; полное выключение ФВ. При исследовании до 35 неисправных ФВ АЭ из 50 элементов получено изменение следующих характеристик: среднеквадратичное отклонение – от 0.056 до 0.18; относительные значения: ширина диаграммы направленности – от 8 до 32 %; уровень боковых лепестков – от 13 до 78 %; мощность излучения – от 0.9 до 0.31. Сформирован диапазон состояний ВЩФАР при наступлении отказов ФВ: "нормальная работа" – до 7 неисправных ФВ; "ухудшение параметров" – от 7 до 12 неисправных ФВ; "отказ" – более 12 неисправных ФВ.

Заключение. Полученные результаты исследований могут быть обобщены и использованы в радиоэлектронных системах с антенными решетками на этапе их разработки. Дальнейшие направления исследований могут быть направлены на разработку методики эксплуатационного контроля состояния антенных систем, а также исследование компенсации искажений характеристик при их неисправностях.

1. Устройства СВЧ и антенны / Д. И. Воскресенский, В. Л. Гостюхин, В. М. Максимов, Л. И. Пономарев; под ред. Д. И. Воскресенского. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Радиотехника, 2006. 376 с.

2. Воскресенский Д. И., Котов Ю. В., Овчинникова Е. В. Тенденции развития широкополосных фазированных антенных решеток (обзор работ) // Антенны. 2005. № 11 (102). С. 7–21.

3. Григорьев Л. Н. Цифровое формирование диаграммы направленности в фазированных антенных решетках. М.: Радиотехника, 2010. 144 с.

4. Хансен Р. С. Фазированные антенные решетки. 2-е изд. М.: Техносфера, 2012. 560 с.

5. Balanis C. A. Antenna Theory: Analysis and Design. 3rd ed. N. J.: John Willey & Sons, 2005. 1136 p.

6. Мануилов М. Б., Лерер В. А., Синявский Г. П. Методы расчета и новые применения волноводнощелевых антенных решеток // Успехи современной радиоэлектроники. 2007. № 5. С. 3–28.

7. Кошкидько В. Г., Мигалин М. М. Разработка линейной эквивалентной волноводно-щелевой антенной решетки и анализ ее направленных свойств // Антенны. 2018. № 2. С. 15–20.

8. Milligan T. A. Modern Antenna design. N. J.: John Wiley & Sons, 2005. 630 p.

9. Levin B. Antenna Engineering Theory and Problems. Boca Raton: CRC Press, 2017. 406 p.

10. Пелевин А. О., Заргано Г. В., Вяткина С. В. Сравнительный анализ ФАР на прямоугольных и гребневых волноводах // Телекоммуникации. 2019. № 3. С. 22–28.

11. Single ridge waveguide slot incremental conductance analysis and array antenna design / Rui Xu, Jiangying Li, Dingyi Luo, Guangwei Yang // Proc. of 2014 3rd Asia-Pacific Conf. on Antennas and Propagation, Harbin, China, 26–29 July 2014. IEEE, 2014. P. 143–146. doi: 10.1109/APCAP.2014.6992435

12. Teng Li, Wenbin Dou. Design of an Edge Slotted Waveguide Antenna Array Based on T-Shaped Cross-Section Waveguide // Intern. J. of Antennas and Propagation. 2017. P. 1–8. doi: 10.1155/2017/7385357

13. Elliott R. S. Antenna Theory & Design. WileyIEEE Press, 2003. 612 p.

14. Математическая модель антенно-волноводного тракта с разделением сигналов по частоте– поляризации / Д. Д. Габриэльян, А. Е. Коровкин, C. И. Бойчук, С. В. Дворников, М. Р. Бибарсов, Г. Ш. Бибарсова // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25, № 4. С. 41–51. doi: 10.32603/1993-8985-2021-25-4-41-51

15. Пономарев Л. И., Степаненко В. И. Сканирующие многочастотные совмещенные антенные решетки. М.: Радиотехника, 2009. 328 с.

16. Вендик О. Г., Парнес М. Д. Антенны с электрическим сканированием. М.: Сайнс-пресс, 2001. 232 с.

17. Bozzi M., Georgiadis A., Wu K. Review of Substrate Integrated Waveguide (SIW) Circuits and Antennas // IET Microwaves, Antennas and Propagation. 2011. Vol. 5, № 8. P. 909–920. doi: 10.1049/iet-map.2010.0463

18. Пастернак Ю. Г. Разработка антенной решетки для мобильного терминала спутниковой связи. URL: https://cchgeu.ru/upload/iblock/211/itogovyyotchet-po-proektu-razrabotka-antennoy-reshetki-dlyamobilnogo-terminala-sputnikovoy-svyazi.pdf (дата обращения 06.05.2024).

19. Прокис Дж. Цифровая связь / пер. с англ. под ред. Д. Д. Кловского. М.: Радио и связь. 2000. 800 с.

20. Манаенко С. С., Дворников С. В., Пшеничников А. В. Теоретические аспекты формирования сигнальных конструкций сложной структуры // Информатика и автоматизация. 2022. Т. 21, № 1. С. 68–94. doi: 10.15622/ia.2022.21.3

21. Анализ потерь помехоустойчивости в условиях медленных замираний / А. А. Русин, М. Р. Бибарсов, Б. А. Аюков, Д. Ю. Гордиенко, С. А. Лященко, С. В. Дворников, А. А. Устинов // Вопр. радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 2022. № 1. С. 81–85.

22. Теоретические предложения по повышению помехоустойчивости приема многопозиционных сигналов в каналах с переменными параметрами / С. В. Дворников, А. В. Пшеничников, А. Ф. Крячко, М. Р. Бибарсов, Г. Ш. Бибарсова // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2023. Т. 26, № 2. С. 6–15. doi: 10.32603/1993-8985-2023-26-2-6-15

23. Научно-технические предложения по повышению помехоустойчивости приема многопозиционных сигналов в каналах с переменными параметрами / М. Р. Бибарсов, С. В. Дворников, А. Ф. Крячко, А. В. Пшеничников // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2023. Т. 26, № 6. С. 6–15. doi: 10.32603/1993-8985-2023-26-6-6-15

24. Шифрин Я. С. Вопросы статистической теории антенн. М.: Сов. радио, 1970. 384 c.

25. Синтез амплитудно-фазового распределения в квазикольцевой антенной решетке / М. Р. Бибарсов, Е. В. Грибанов, Д. Д. Габриэльян, Ден. С. Федоров, Дан. С. Федоров // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2017. Вып. 2. С. 28–33.

26. Влияние локально плоских искажений излучающего раскрыва на диаграмму направленности фазированной антенной решетки / М. Р. Бибарсов, Г. Ш. Бибарсова, Д. Д. Габриэльян, С. В. Дворников, Д. С. Федоров // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2023. Т. 26, № 1. С. 17–25. doi: 10.32603/1993-8985-2023-26-1-17-25

27. Влияние ошибок формирования амплитуднофазового распределения в раскрыве фазированной антенной решетки на точность пеленгации / М. Р. Бибарсов, Г. Ш. Бибарсова, Д. Д. Габриэльян, В. Н. Шацкий // Информация и космос. 2023. № 2. С. 18–23.

28. Бибарсов М. Р. Исследование влияния отказов фазовращателей на характеристики волноводнощелевой фазированной антенной решетки // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2024. Т. 27, № 1. С. 57–66. doi: 10.32603/1993-8985-2024-27-1-57-66

29. Синтез алгоритма оценки характеристик волноводно-щелевой антенной решетки при изменении фазировки антенных элементов / А. Ф. Крячко, Н. А. Гладкий, М. Р. Бибарсов, Б. А. Аюков // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2024. Т. 27, № 3. С. 42–51. doi: 10.32603/1993-8985-2024-27-3-42-51

30. Крячко А. Ф., Бибарсов М. Р., Аюков Б. А. Алгоритм моделирования изменения характеристик волноводно-щелевой антенной решетки при неисправностях фазовращателей // Тр. междунар. симп. "Надежность и качество", Пенза, 27 мая – 1 июня 2024 / Пензенский гос. ун-т. 2024. Т. 2. С. 472–474.