Цифрова антенна решітка (ЦАР) — пасивна або активна антенна система, що являє собою сукупність аналого-цифрових (цифро-аналогових) каналів зі спільним фазовим центром, в якій формування діаграми спрямованості здійснюється у цифровому вигляді, без використання фазообертачів. В закордонній літературі використовуються еквівалентні терміни або smart антена .
Різниця між ЦАР і активною фазованою антенною решіткою (АФАР) полягає в методах обробки інформації. В основі АФАР лежить приймально-передавальний модуль (ППМ), що містить два канали: приймальний та передавальний. В кожному каналі міститься підсилювач, а також пристрої управління амплітудно-фазовим розподілом: фазообертач та атенюатор.
В цифрових антенних решітках в кожному каналі встановлено цифровий приймально-передавальний модуль, в якому аналогова система управління амплітудою і фазою сигналу замінена системою цифрового синтезу і аналізу сигналів (ЦАП/АЦП).
Цифрові антенні решітки можуть бути адаптивними і неадаптивними.
Історія розвитку теорії ЦАР
Теорія цифрових антенних решіток (ЦАР) зароджувалася як теорія багатоканального аналізу ()Slyusar V. I. Origins of the Digital Antenna Array Theory.// International Conference on Antenna Theory and Techniques, 24-27 May, 2017, Kyiv, Ukraine. — Pp. 199—201. Слюсар В. И. Развитие схемотехники ЦАР: некоторые итоги. Часть 1.// Первая миля. Last mile (Приложение к журналу «Электроника: наука, технология, бизнес»). — N1. — 2018. — C. 72 — 77 .
Її джерела беруть початок в 1920-ті роки з розроблених тоді методів визначення напрямків приходу радіосигналів сукупністю двох антен по різниці фаз або амплітуд їх вихідних напруг. При цьому оцінка напрямків приходу сигналу здійснювалася за показниками стрілочних індикаторів або за формою фігур Лиссажу, що малювалися променем на екрані осцилографа. Прикладом такого роду є публікаціяH. T. Friis. Oscillographic Observations on the Direction of Propagation and Fading of Short Waves.// Proceedings of the Institute of Radio Engineers. — May 1928. — Volume16, Issue 5. — Pp. 658—665. Найпростіший патентний пошук дозволяє виявити кілька десятків патентів, що використовують аналогічні технічні рішення для радарів, радіопеленгаторів, засобів навігації. Мова йде, наприклад, про так звані (патент США № 2423437) або (патент США № 2419946).
Наприкінці 1940-х років даний підхід призвів до появи теорії 3-канальних антенних аналізаторів, що забезпечували розв'язок завдання роздільної селекції сигналів повітряної цілі й відбитого від поверхні «антипода» шляхом розв'язку системи рівнянь, сформованих по комплексних напругах 3-канальної сигнальної сумішіE. W. Hamlin, P. A. Seay,•W. E. Gordon.•A New Solution to the Problem of Vertical Angle-of-Arrival of Radio Waves.// Journal of Appllied Physics. — 1949, Vol. 20. — Pp. 248—251). Результати експериментальних вимірів за допомогою аналогічного 3-антенного обладнання були опубліковані Фредеріком Бруксом в 1951 р.Frederick E. Brooks. A Receiver for Measuring Angle-of-Arrival in a Complex Wave.// Proceedings of the I.R.E.- April, 1951. — Pp. 407—411).
Зростаюча складність розв'язку радіолокаційних завдань до кінця 1950-х років створила передумови для застосування у цій сфері електронної обчислювальної техніки. Наприклад, в 1957 р. була опублікована стаття Бена С. Мелтонта й Леслі Ф. БейліBen S. Meltont and Leslie F. Bailey. Multiple Signal Correlators.//Geophysics. — July, 1957. — Vol. XXII, No. 3. — Pp. 565—588, у якій були запропоновані варіанти реалізації алгебраїчних операцій з обробки сигналів за допомогою електронних схем, що є їхніми аналогами, з метою створення машинного коррелятора () або машинного обчислювача обробки сигналів на основі аналогової обчислювальної машини. По суті, тим самим був створений симбіоз прийомної системи й спецобчислителя для оцінювання параметрів сигналів.
Прихід на зміну аналоговим обчислювальним засобам цифрової техніки буквально через три роки, в 1960 р. втілився в ідею використання швидкодіючого комп'ютера для розв'язку пеленгаційного завдання, спочатку відносно визначення місця розташування епіцентру землетрусу. До тих, хто першим реалізував цю ідею на практиці, слід віднести Б. А. БолтаB. A. Bolt. The Revision of Earthquake Epicentres, Focal Depths and Origin-Times using a High-speed Computer. //Geophysical Journal. — 1960, Vol. 3, Issue 4. — Pp. 433—440, який написав програму для IBM 704 з сейсмопеленгації на основі методу найменших квадратів. Практично синхронно з ним аналогічний підхід використав співробітник Австралійського національного університету ФліннE. A. Flinn. Local earthquake location with an electronic computer.//Bulletin of the Seismological Society of America. — July 1960. — Vol. 50, No. 3. — Pp. 467—470.
Незважаючи на те, що в зазначених експериментах інтерфейс між датчиками й комп'ютером був реалізований за допомогою перфокарт введення даних, такий розв'язок став вирішальним кроком на шляху появи ЦАР. Далі залишалося лише розв'язати проблему безпосередньої подачі у комп'ютер цифрових даних, отриманих від сенсорних елементів, виключивши етап підготовки перфораційних карт і участь оператора як зайвої ланки. При цьому розв'язок завдання удосконалення обробки інформації від решіток сенсорних датчиків міг бути зведений до розробки програмного забезпечення інтегрованого з ними комп'ютера. З цього моменту аналогічні рішення могли тиражуватися в будь-яких радіотехнічних додатках.
У СРСР першим звернув увагу на потенційні можливості багатоканальних аналізаторів Полікарпов Б. І.Поликарпов Б. И. О некоторых возможностях применения независимых каналов приема сигналов и использования электронно-вычислительной техники для повышения помехоустойчивости и разрешающей способности радиолокационных измерений//Сборник «Экспресс-информация», БНТ, № 23, 1961 Він розглянув аналізатори фазового типу з рівними або кратними відстанями між фазовими центрами прийомних каналів, на виходах яких напруги зазнають кореляційної обробки, і за допомогою обчислювальних машин визначаються кутові координати джерел сигналів. Полікарпов Б. І. указав на принципову можливість розрізнення джерел сигналів з кутовою відстанню, меншою за ширину головної пелюстки діаграми спрямованості антеної системи.
Однак конкретний розв'язок завдання надрелеївського розрізнення джерел випромінювання було запропоновано лише у 1962 році Варюхіним В. О. і Заблоцьким М. А., якими був винайдений відповідний спосіб виміру напрямків на джерела електромагнітного поляА. С. СССР № 25752. Способ измерения направлений на источники электромагнитного поля. //Варюхин В. А., Заблоцкий М. А. — 1962. Даний спосіб ґрунтувався на обробці інформації, що міститься у розподілі комплексних амплітуд напруг на виходах амплітудних, фазових і фазово-амплітудних багатоканальних аналізаторів, і дозволяв визначати кутові координати джерел, що перебувають у межах ширини головної пелюстки прийомної антенної системи.
Надалі Варюхіним В. О. була розроблена загальна теорія багатоканальних аналізаторів, заснована на обробці інформації, що утримується в розподілі комплексних амплітуд напруг на виходах антенно решітки. Ця теорія розглядає способи визначення кутових координат джерел залежно від кутових відстаней між ними, фазових і енергетичних співвідношень між сигналами, а також функціональні схеми обладнання, що реалізує теоретичні висновки. Визначення параметрів джерел проводиться безпосереднім розв'язком систем трансцендентних рівнянь високого порядку, що описують функцію відгуку багатоканального аналізатора. Труднощі, що виникають при розв'язку трансцендентних систем рівнянь високого порядку, були подолані Варюхіним В. О. шляхом «сепарації» невідомих, при якій визначення кутових координат зводиться до розв'язку двох або навіть одного рівняння, а визначення комплексних амплітуд — до розв'язку лінійних систем рівнянь порядку N. Варюхин В. А., Касьянюк С. А. Об одном методе решения нелинейных систем специального вида. — Журнал вычислительной математики и математической физики, Издание АН СССР, № 2, 1966.
Важливою віхою у визнанні наукових результатів Варюхіна В. О. став захист ним дисертації на здобуття наукового ступеня доктори технічних наук, що відбувся у 1967 р. Відмінною рисою розвинених ним теоретичних основ стала максимальна автоматизація процесу оцінювання координат і параметрів сигналів, тоді як за кордоном у цей час зароджувався підхід, що базується на формуванні функції відгуку сейсмічного багатоканального аналізатора й оцінці його розрізнювальної здатності на основі візуальних вражень. Мова йде про метод Кейпона й розроблені надалі методи MUSIC, ESPRIT та інші проєкційні методи спектрального оцінюванняМарпл-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. Пер. с англ. — Москва, Мир, 1990. — 584 стр..
Оригінальність основних теоретичних досягнень наукової школи Варюхіна В. О., отримані ним і його учнями (насамперед, у Військовій академії ППО Сухопутних військ імені Василевського О.M.), на тлі розвинених за кордоном теоретичних методів спектрального оцінювання, зберігається й нині, завдяки максимальному врахуванню специфічних особливостей аналітичного опису функції відгуку багатоканального аналізатора, у тому числі сформованої на основі операції швидкого перетворення Фур'є. Це стосується зведення завдання надрелеївського розрізнення сигналів по виходах вторинних прийомних каналів до розв'язку алгебраїчного рівняння ступеня M, де M — кількість джерел, визначення невідомої кількості їх та інших важливих аспектів. Зазначеним науковим колективом був розроблений і всебічно апробований ряд макетів РЛС із ЦАР, за участю його представників проведені успішні полігонні випробування дослідного зразка унікальної 64-канальної РЛС із ЦАР.
Міжвідомча науково-технічна нарада, проведена в 1977 р. Науковою Радою АН СРСР з проблеми «Статистична радіофізика» (голова — академік Кобзарєв Ю. Б.) і Філією протиповітряної оборони Сухопутних військ Військової артилерійської академії ім. М. І. Калініна (м. Київ), надала офіційний статус терміну «цифрові антенні решітки» і визнала пріоритет наукової школи Варюхіна В. О. у розробці й практичній реалізації відповідної теорії. Вона ж датувала початок досліджень, що виконувалися під керівництвом Варюхіна В. О., 1962 роком.Миночкин А. И., Рудаков В. И., Слюсар В. И. Основы военно-технических исследований. Теория и приложения. Том. 2. Синтез средств информационного обеспечения вооружения и военной техники.//Под ред. А. П. Ковтуненко. — Киев: «Гранмна». — 2012. — С. 7 — 98; 354—521
Звичайно робити висновок про пріоритет і важливість тих або інших наукових підходів у процесі формування загальної теорії ЦАР справа невдячна, враховуючи закритий характер більшості робіт і відсутність можливості докладного ознайомлення з науковою спадщиною того часу. Викладений тут історичний екскурс лише піднімає завісу часу над розвитком наукового пошуку й мав за мету вказати на історичному фоні загальну нішу й мчасові рамки зародження теорії багатоканального аналізу. Детальний опис історичних етапів розвитку теорії ЦАР заслуговує окремого розгляду.
Приймально-передавальний модуль ЦАР В ППМ ЦАР існує два канали обробки даних: передавальний канал приймальний канал
Приймальний канал Основа приймального каналу — АЦП. Аналого-цифровий перетворювач замінює в аналоговому варіанті реалізації активного модуля два пристрої: фазообертувач і аттенюатор. АЦП дозволяє перейти від аналогового до цифрового представлення сигналу для подальшого його аналізу у схемі цифрової обробки сигналу. Для ефективної роботи АЦП в каналі застосовуються ще два пристрої: Малошумний підсилювач (МШП) — збільшує амплітуду сигналу до необхідного рівня для подальшого оцифровування. Пристрій захисту приймача — розрядник або обмежувач, який дозволяє запобігти перевантаженню приймального каналу високим рівнем сигналу (завади).
Передавальний канал