МОДУЛЬ ПРИЕМНОЙ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 1994 года по МПК H01Q1/38 H04B1/26 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для построения приемных активных фазированных антенных решеток (АФАР) миллиметрового диапазона.

Известны модули АФАР, в которых приемники и передатчики являются составной частью сложной антенной системы. Из таких модулей как из "кирпичиков" собираются АФАР. Структурная схема приемного модуля АФАР включает антенну, активный элемент и фазирующую систему. Конструктивное единство модуля обеспечивается выбором компонентов: антенны могут быть печатными, щелевыми, линзовыми, рупорными и т. д. ; активными элементами могут быть диоды и транзиcторы, входящие в состав смесителей и усилителей; фазирующая система обычно представляет собой плавные или дискретные проходные или отражательные фазовращатели на р-i-n-диодах, ферритах и т. д. Обработка сигнала в приемнике модуля может происходить на промежуточной частоте, а не на частоте принимаемого сигнала.

Очевидно, что для работы модулей используются некоторые узлы, конструктивно не входящие в модуль, а являющиеся принадлежностью всей системы: это мощный гетеродин для всех смесителей АФАР, устройство обработки сигналов (сумматоры, перемножители, корреляторы для объединения сигналов, принимаемых каждым модулем), блок управления фазовращателями, ЭВМ и т. д. Ниже они не рассматриваются.

Рассматриваемые ниже модули приемной АФАР состоят из антенны, диодного смесителя и фазирующей системы. Антенна принимает сигнал, лежащий в миллиметровом диапазоне, смеситель понижает частоту в дециметровый или метровый диапазон с сохранением фазовых соотношений (гетеродин - общий для всей АФАР), фазирующая система обеспечивает надлежащий фазовый сдвиг сигнала, поступающего на выход модуля для дальнейшей обработки системными устройствами.

Прототипом изобретения является модуль приемной АФАР, состоящий из антенны типа дифракционной решетки из проводников на поверхности металлизированной диэлектрической подложки с фокусирующим устройством, диодного смесителя и дискретного диодного фазовращателя на переключаемых отрезках микрополосковых волноводов. Использование таких фазовращателей обусловлено единством технологического процесса изготовления печатной антенны и фазовращателя, что позволяет конструктивно объединить их на общей диэлектрической подложке в составе модуля.

Антенна модуля-прототипа принимает излучения миллиметрового диапазона, дифракционной решеткой направляет в виде поверхностной волны Е вдоль диэлектрической подложки, фокусирует в плоскости Н и подает на вход диодного смесителя. На гетеродинный вход подается часть мощности общего для АФАР гетеродина, и промежуточная частота дециметрового или метрового диапазона поступает на вход дискретного диодного фазовращателя на переключаемых отрезках микрополосковых волноводов. В зависимости от полярности напряжений, подаваемых от системного блока управления фазовращателями АФАР, фаза сигнала промежуточной частоты, поступающего на выход фазовращателя (на выход модуля), меняется так, как необходимо для формирования диаграммы направленности АФАР устройством обработки.

Недостатком прототипа являются его большие габариты. Недостаток обусловлен тем, что размеры модуля определяются суммой размеров антенны, смесителя и фазовращателя. Выход фазовращателя в габариты модуля велик, так как каждый дискрет фазы содержит отрезки микрополосковых волноводов электрической длиной λ/2, λ/4, λ/8 и т. д. , где λ - длина волны промежуточной частоты и λ≈30. . . 150 см и более.

Целью изобретения является уменьшение габаритов модуля приемной АФАР.

Цель достигается тем, что в модуле приемной АФАР, состоящем из антенны в виде дифракционной решетки из проводников на поверхности металлизированной диэлектрической подложки с фокусирующим устройством, диодного смесителя и дискретного диодного фазовращателя на переключаемых отрезках микрополосковых волноводов, проводники дифракционной решетки объединены в группы, количество которых равно количеству дискретов фазы фазовращателя, с четным числом проводников в каждой группе, концы проводников каждой группы электрически соединены между собой так, что проводники совместно с металлизированной диэлектрической подложкой образуют меандровые отрезки микрополосковых волноводов, вход и выход каждого меандрового отрезка микрополосковых волноводов подключены к диодным переключателем, образуя фазовращатель на один дискрет фазы, фазовращатели через конденсаторы включены каскадно, вход первого фазовращателя подключен к выходу диодного смесителя, а выход последнего фазовращателя является выходом модуля.

Заявляемое изобретение удовлетворяет критерию "существенные отличия", так как объединение проводников дифракционной решетки в группы, количество которых равно количеству дискретов фазы фазовращателя, с четным числом проводников в каждой группе, электрическое соединение концов проводников так, что они совместно с металлизированной подложкой образуют меандровые отрезки микрополосковых волноводов, из которых с помощью диодных переключателей выполнены фазовращатели на один дискрет фазы, каскадное соединение этих фазовращателей через конденсаторы, подключение входа первого фазовращателя к выходу диодного смесителя и использование выхода последнего фазовращателя как выхода модуля приемной АФАР обеспечивает получение нового свойства - уменьшение габаритов модуля.

На чертеже изображена конструкция модуля приемной АФАР.

Модуль состоит из антенны, включающей диэлектрическую подложку 1 с металлизированной нижней поверхностью и плоской линзой на кромке, микрополосковые проводники 2 дифракционной решетки, рупорно-волноводный возбудитель 3 поверхностной волны, фланец 4 выхода антенны, диодного смесителя 5 с фланцами для подключения антенны и гетеродина (гетеродин на чертеже условно не показан, поскольку он является общим для всей АФАР), а также разъемным соединителем 6 выхода промежуточной частоты; дискретного диодного фазовращателя на переключаемых отрезках микрополосковых волноводов, включающего диэлектрическую подложку 1 с металлизированной нижней поверхностью, микрополосковые проводники 2 дифракционной решетки, объединенные в группы с четным числом проводников, концы которых электрически соединены так, что образуют меандр; диодный переключатель, в состав которого входят р-i-n-диоды 7, дроссели 9, конденсаторы 10, отрезки 11 микрополосковых проводников, контактные площадки 12 для подачи тока на диоды, "заземленные" контактные площадки 13, конденсатор 8.

Кроме того, поз. 14 обозначен отрезок коаксиального кабеля, поз. 15 - коаксиально-полосковый переход, поз. 16 - контактная площадка - выход сигнала модуля.

На контактные площадки 12 подается ток от источника положительной или отрицательной полярности (на чертеже источники не показаны), ток проходит через дроссель 9, открытый диод 7 двухканального диодного переключателя, отрезок меандрового проводника (или отрезок 11 полосового проводника в зависимости от полярности), второй открытый диод 7, дроссель 9 не заземленную контактную площадку 13.

Диэлектрическая подложка 1 имеет металлизированную нижнюю поверхность, которая электрически соединена с нижней поверхностью металлического рупорно-волноводного возбудителя 3 поверхностной волны. Плоская линза на кромке подложки 1 расположена внутри рупорно-волноводного возбудителя 3 и имеет фокус, совпадающий с его горловиной, где установлен фланец 4 выхода антенны.

Микрополосковые проводники 2, часть из которых объединена проводящими перемычками на концах в группы так, что образуют меандр, а другие могут не иметь таких перемычек, расположены на поверхности диэлектрической подложки 1 на постоянном расстоянии параллельно друг другу, образуя дифракционную решетку для частоты сигнала, лежащей в миллиметровом диапазоне.

Микрополосковые проводники 2, объединенные в группы (число групп соответствуют количеству дискретов фазы фазовращателя; для примера на чертеже показаны две группы, которые объединяют 2 и 4 проводника 2 дифракционной решетки, которым могут соответствовать, например, два дискрета фазы 45^о и 90^о; очевидно, не показанная из-за недостатка места на чертеже секция фазовращателя на 180^о должна включать группу из 8 таких проводников 2) с четным количеством проводников в каждой, концы которых соединены так, что проводники 2 совместно с металлизированной диэлектрической подложкой 1 образуют меандровые отрезки микрополосковых волноводов, подключены входом и выходом этих отрезков к диодным переключателям, состав которых описан выше. Такое включение меандровых отрезков микрополосковых волноводов образует два дискретных фазовращателя, они соединены между собой каскадно через конденсатор 8. Выход диодного смесителя 5 через коаксиальный разъемный соединитель 6, отрезок коаксиального кабеля 14, коаксиально-полосковый переход 15 подключен к входу первого фазовращателя. С контактной площадки 16, связанной с выходом второго фазовращателя, осуществляется выход сигнала модуля.

Конденсатор 10 обеспечивает режим короткого замыкания по промежуточной частоте между контактными площадками 12 и 13.

Толщина диэлектрической подложки 1 и значение диэлектрической проницаемости ее материала выбираются, исходя из условия одномодового распространения поверхностной волны Е (см. Взятышев В. Ф. Диэлектрические волноводы. М. : Советское радио, 1972).

Период в расположении микрополосковых проводников 2 дифракционной решетки определяется из условия формирования одного главного максимума, соответствующего главному лепестку диаграммы направленности в пл. Е и его желаемому положению относительно нормали к поверхности подложки 1 (см. Калитеевский Н. И. Волновая оптика. М. : Высшая школа, 1978).

Размер апертуры в плоскости Н (ширина плоской линзы, выполненной на кромке подложки 1, размещенной в рупорно-волноводном возбудителе поверхностной волны 3), определяется исходя из желаемой ширины главного лепестка диаграммы направленности в пл. Н (см. Айзенберг Г. З. Антенны ультракоротких волн. М. : Связь, 1957). С учетом размера апертуры определяют длину микрополосковых проводников 2, обеспечивая на фазовращателе из двух проводников в меандре минимально необходимый сдвиг фазы (например, 45^о или 22,5^о) для конкретного значения промежуточной частоты и эффективного значения диэлектрической проницаемости микрополоскового волновода (см. Малорацкий Л. Г. , Явич Л. Р. Проектирование и расчет СВЧ-элементов на полосковых линиях. М. : Советское радио, 1972).

Длина провода дросселя 9 равна примерно λ/4, это обеспечивает режим холостого хода со стороны диодов 7 на промежуточной частоте, цепи управления диодами 7 не шунтируют тракт фазовращателей.

Емкость конденсатора 8 обеспечивает режим короткого замыкания на промежуточной частоте.

Модуль в составе приемной АФАР работает следующим образом.

На гетеродинный вход (открытый фланец на чертеже) смесителя 5 от гетеродина, общего для всех модулей АФАР и поэтому на чертеже условно не показанного, подается мощность с частотой f_г. На поверхность подложки 1 из верхнего полупространства падает излучение сигнала миллиметрового диапазона с частотой f_c. Падающая волна дифрагирует на решетке из полосковых проводников 2 и преобразуется в поверх- ностную волну Е подложки 1, распространяющуюся в направлении рупорно-волноводного возбудителя поверхностной волны 3, где фокусируется плоской линзой на кромке подложки 1 в Н₁₀-волну прямоугольного волновода в горловине возбудителя 3, фланцем 4 подключенного к сигнальному входу диодного смесителя 5.

Сигнал промежуточной частоты f_п.ч. = (f_c - f_г), сформированный смесителем 5, через разъемный соединитель 6, отрезок 14 коаксиального кабеля, коаксиально-полосковый переход 15 поступает на вход дискретного фазовращателя на переключаемых отрезках микрополосковых волноводов. В зависимости от полярности управляющего тока сигнал проходит через первый дискретный фазовращатель по "длинному" или "короткому" пути в соответствии с протеканием тока через диоды 7 диодного переключателя.

Разность электрической длины того и другого пути (микрополоскового волновода в виде меандра и волновода из отрезка микрополоскового проводника 11) определяет фазовый сдвиг первого дискретного фазовращателя (например, 45^о).

Далее через конденсатор 8 сигнал ПЧ поступает на аналогичный фазовращатель, в котором также используются микрополосковые проводники 2, объединенные в меандр, получая при соответствующей полярности тока на контактной площадке 12 дополнительный фазовый сдвиг (например, 90^о). С контактной площадки 16 сигнал ПЧ поступает на выход модуля приемной АФАР на системные устройства, на чертеже не показанные, для дальнейшей обработки.

Микрополосковые проводники 2 дифракционной решетки (и, следовательно, площадь, занимаемая ими на поверхности подложки 1) используются дважды: первый раз - как часть антенны, а второй - в составе меандровых отрезков микрополосковых волноводов диодных дискретных фазовращателей с переключаемыми каналами. Это позволяет отказаться от выполнения фазовращателей в виде самостоятельного узла на той же подложке, как это сделано в модуле-прототипе, при этом уменьшаются размеры модуля в целом. Поскольку апертура антенны модуля не может быть уменьшена без изменения ширины главного лепестка диаграммы направленности, печатные антенны относятся к наиболее компактному типу антенн, а для реализации фазовращателей по заявляемому техническому решению площадь подложки антенны увеличивается лишь на 5-7% , то все это обеспечивает уменьшение габаритов модуля в 1,5-1,7 раза, уменьшает его массу и позволяет создавать из предлагаемый модулей компактные приемные АФАР.

Очевидно, что с целью повышения чувствительности модуля между выходом смесителя и входом фазовращателя целесообразно разместить малошумящий избирательный усилитель ПЧ с хорошей температурной стабильностью фазы коэффициента передачи и высоким коэффициентом усиления.

На момент подачи заявки макет модуля приемной АФАР с тремя дискретами фазы находится в стадии изготовления опытного образца; Предварительно была испытана антенна (без смесителя и фазовращателей), изготовленная на основе дифракционной решетки из 16 микрополосковых проводников шириной 0,5 мм, расположенных с шагом 2,7 мм на подложке размерами 60 х 48х х 0,5 мм из поликора. Ширина главного лепестка диаграммы направленности 12 х 15^о в 8 мм диапазоне.

Итак, объединение проводников дифракционной решетки в группы, количество которых равно количеству дискретов фазы фазовращателя, с четным числом проводников в каждой группе, соединение проводников каждой группы между собой так, что проводники совместно с металлизированной диэлектрической подложкой образуют меандровые отрезки микрополосквых волноводов, подключение входа и выхода каждого отрезка меандрового микрополоско- вого волновода к диодным переключателям с образованием фазовращателя на один дискрет фазы, каскадное соединение фазовращателей через конденсатор, подключение входа первого фазовращателя к выходу диодного смесителя и использование выхода последнего фазовращателя как выхода модуля позволяет реализовать в 1,5. . . 1,7 раза более компактный и легкий модуль приемной АФАО, чем прототип.

Это делает использование предлагаемого модуля приемной АФАР технически и экономически выгодным. (56) Авторское свидетельство СССР N 1626392, кл. Н 04 В 1/26, 1988.

Использование: в радиотехнике для построения приемных активных фазированных антенных решеток миллиметрового диапазона. Сущность изобретения: модуль содержит антенну, состоящую из фокусирующего устройства и дифракционной решетки, выполненной из микрополосковых отрезков волноводов, расположенных на поверхности диэлектрической подложки, фазовращателей, состоящих из групп микрополосковых отрезков волноводов, выполненных в виде меандра, диодных переключателей. Фазовращатели соединены каскадно через конденсатор. 1 ил.

МОДУЛЬ ПРИЕМНОЙ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ , содеpжащий диодный смеситель и антенну, состоящую из фокусиpующего устpойства и дифpакционной pешетки, выполненной из микpополосковых отpезков волноводов, pасположенных паpаллельно на пеpвой повеpхности диэлектpической подложки, втоpая повеpхность котоpой металлизиpована, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаpитов, введены диодные пеpеключатели и конденсатоpы, а микpополосковые отpезки волноводов объединены в гpуппы, каждая из котоpых содеpжит четное число микpополосковых отpезков волноводов и выполнена в виде меандpа, вход и выход котоpого соединены с диодным пеpеключателем, и является фазовpащателем, фазовpащатели соединены между собой каскадно чеpез конденсатоpы, пpи этом вход пеpвого фазовpащателя подключен к выходу диодного смесителя, а выход последнего фазовpащателя является выходом модуля.