ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА Российский патент 1995 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам и может быть использовано в радиолокационных системах с электрическим сканированием луча.

Известно, что в антеннах с электрическим сканированием луча одна из основных проблем связана с созданием требуемого фазового распределения на всех элементах решетки. Необходимо, получив исходную информацию о требуемом угловом положении луча в заданном секторе пространства, произвести в спецвычислителе расчет требуемых фаз излучателей антенной решетки и осуществить установку фаз в фазовращателях ФАР.

Такие ФАР, как Patriot, Missile Site Radar (MSR) и PAR, представляют собой многофункциональные радиолокационные комплексы, которые могут эффективно использоваться в аэродромных системах обзора и слепой посадки, а также в целях обнаружения и сопровождения летательных аппаратов. Фазированная решетка РЛС состоит из нескольких тысяч фазовращателей.

Управление ими является сложной задачей.

В целях повышения коэффициента усиления ФАР, снижения ее стоимости целесообразно использовать принцип модульного построения. В состав модуля ФАР входит приемопередающая аппаратура, антенна и элементы управления. Для сканирования лучом в достаточно широком секторе углов антенна модуля ФАР должна представлять собой сканирующую антенную решетку, причем для получения минимальных зазоров между модулями ФАР их апертуры целесообразно выполнять в виде правильных шестиугольников.

Известны ФАР, в которых элементы антенной решетки образуют не прямоугольную, а треугольную (гексагональную) сетку. Очевидно, что в таких случаях конструкция ФАР, включая систему управления фазовращателями, связанная с прямоугольной системой координат, не всегда является наиболее эффективной.

В частности для гексагональной решетки более подходящей при формировании алгоритма управления может явиться косоугольная система координат.

Наиболее близкой по своей технической сущности и достигаемому результату является фазированная антенная решетка отражательного типа с апертурой в виде правильного шестиугольника, возбуждаемой пространственным распределителем мощности облучателем, имеющим осевую симметрию, содержащая расположенные в узлах гексагональной сетки излучатели круговой поляризации и связанные со спецвычислителем системы управления лучом ФАР ячейки управления, каждая из которых выполнена в виде линейки фазовращателей с печатной платой.

Это устройство может быть использовано как автономная ФАР и как составная часть крупноапертурного антенного модуля ФАР.

Известны варианты конструкции ФАР, выполненные на основе отдельных излучающих элементов и на основе интегрированных элементов. В последнем случае излучатели ФАР сгруппированы по 4 элемента с линейкой фазовращателей и платой управления.

Недостатком устройства-прототипа является то, что при значительном числе элементов модуля ФАР (порядка нескольких тысяч излучателей), даже в случае использования интегрированных элементов из 4-х излучателей, необходимо применение чрезвычайно большого количества проводников, соединяющих фазовращатели со спецвычислителем модуля. Это приводит к взаимной связи цепей управления, искажениям управляющих импульсов и фазовых соотношений в фазовращателях, а это влечет за собой снижение коэффициента усиления ФАР.

Кроме того, указанное выполнение ФАР требует применения сложного алгоритма управления, что уменьшает быстродействие переключения луча в заданном секторе пространства.

Кроме того затруднен отвод от элементов ФАР тепла, выделяемого за счет энергии управления и вследствие СВЧ потерь. Это приводит к неравномерному нагреву элементов в пределах апертуры ФАР. Особенно критичным этот фактор является в случае использования ферритовых фазовращателей, фаза которых существенно зависит от температуры окружающей среды. В конечном счете это также вызывает снижение точности установки фазового распределения в апертуре антенны и коэффициента усиления ФАР.

Целью изобретения является повышение точности установки фазового распределения, повышение коэффициента усиления (КУ) и уменьшение времени переключения луча ФАР.

Это достигается тем, что в фазированной антенной решетке отражательного типа с апертурой в виде правильного шестиугольника, возбуждаемой пространственным распределителем мощности-облучателем, имеющим осевую симметрию, содержащей расположенные в узлах гексагональной сетки излучатели круговой поляризации и связанные со спецвычислителем системы управления лучом ФАР ячейки управления, каждая из которых выполнена в виде линейки фазовращателей с печатной платой, апертура антенной решетки выполнена в виде трех идентичных подрешеток ромбической формы из N_o столбцов и N_o+1 строк, расположенных под углом 120^о друг к другу, в каждую ячейку управления, апертура которой выполнена в виде параллелограмма со сторонами, ориентированными вдоль строк и столбцов подрешетки, дополнительно введены параллельно расположенные линейки фазовращателей и платы управления, а в систему управления лучом дополнительно введены два идентичных первому спецвычислителя, причем каждый спецвычислитель связан с ячейками управления соответствующей подрешетки, а фазовые сдвиги, вводимые от каждого спецвычислителя в фазовращатели соответствующей подрешетки, определяются по формуле:
ϕ_i= k₁x_i+k₂y_i+k₃z_i+ +Ψ_i где k₁, k₂, k₃ коды фазовых набегов по осям х, y, z, ориентированным под углом 120^о относительно друг друга;
x_i, y_i, z_i координаты излучателя; λ длина волны;
Н высота фокального кольца облучателя над апертурой ФАР;
r_o радиус фокального кольца облучателя;
R_i радиус-вектор излучателя;
Ψ _i начальная фазовая длина i-го фазовращателя.

На фиг. 1 изображен общий вид ФАР, а именно антенный модуль.

Предлагаемый модуль содержит пространственный распределитель мощности (облучатель) 1, волноводный тракт 2, ячейки управления 3, 4, радиопрозрачное укрытие 5, корпус 6, излучатели 7, систему термостабилизации (теплообмена) с воздуховодами 8. Каждая из ячеек управления 3, 4 содержит печатные платы 9 и линейки фазовращателей 11.

На фиг. 2 изображена апертура антенного модуля, разделенная на 3 подрешетки 10 (А, В, С), в каждой из которых обозначены границы ячеек управления. Указана нумерация строк и столбцов в каждой подрешетке 10 и направления косоугольных осей координат х, y, z.

В антенной решетке с апертурой в виде правильного шестиугольника число излучателей 7, расположенных в узлах гексагональной сетки (частном случае треугольной сетки при ячейке ФАР в виде равностороннего треугольника), составляет (без учета центрального элемента)
3N_o(N_o + 1), где N_o целое число.

Отсюда следует, что число излучателей в каждой подрешетке 10, занимающей 1/3 площади апертуры, составляет N_o(N_o + 1). Поэтому в заявленном решении число строк N_о + 1 элементов подрешетки 10 на единицу превышает число столбцов N_o независимо от общего числа излучателей в модуле.

На фиг. 3 изображена антенная решетка из 18 излучающих элементов 7. Видно, что в данном случае число столбцов равно 2, а число строк 3. Свободная центральная область апертуры модуля используется для крепления распределителя мощности 1 (облучателя) и подводки к нему питающего волновода.

При значительном числе излучателей (общем числе излучателей в модуле N несколько тысяч, числе столбцов в подрешетке N_o ≥ 30) апертура подрешетки ромбической формы плотно заполняется излучающими элементами.

Размеры ячеек управления выбираются, исходя из наиболее рационального заполнения апертуры подрешетки 10 при минимальном числе их типоразмеров, а также с учетом технологических особенностей их изготовления и необходимости уменьшения числа соединительных проводников. Как видно из фиг. 2, для плотного заполнения апертуры модуля достаточно двух типоразмеров ячеек управления 3, 4.

Управление фазовращателями в предлагаемом устройстве поэлементное. Вычисление фазовых соотношений в спецвычислителе, учитывает гексагональную симметрию расположения излучателей и осуществляется вдоль строк и столбцов. Разводка цепей управления производится вдоль строк.

Сканирование в модуле осуществляется путем создания требуемого фазового распределения в апертуре модуля. Значения фаз в апертуре модуля вычисляются при приближении геометрической оптики с учетом того, что лучевая структура поля облучателя 1 образует фокальное кольцо по следующей формуле:
ϕ_i= k₁x_i+k₂y_i+k₃z_i+ +Ψ_i где к₁, к₂, к₃ коды фазовых набегов по осям модуля соответственно;
x_i, y_i, z_i координаты излучателя-фазовращателя в модуле;
Н высота облучателей над апертурой модуля;
r_o радиус фокального кольца;
R_i радиус вектор излучателя;
Ψ _i начальная фазовая длина i-го фазовращателя.

Координаты x_i, y_i, z_i нормированы к шагу решетки и принимают значения: x_i x_i'/d; y_i y_i'/d; z_i z_i'/d.

При вычислении фаз в апертуре модуля величины К₁, К₂ и К₃ определяются по заданным угловым сферическим координатам θ и ϕ положения луча:
K₁= d sinθ·cosϕ
K₂= d(sinθ·cosϕ+ sinθ·sinϕ)
K₃= d(-sinθ·cosϕ+ sinθ·sinϕ) где λ длина волны;
d шаг решетки.

В спецвычислителе требуемые фазы определяются в виде кодов фазовых состояний.

Для каждой подрешетки используются лишь два из указанных фазовых набегов. Так для подрешетки А (см. фиг. 2) фазовые набеги К₂ и К₃ вычисляются вдоль координат y и z, а значение К₁ полагается равным нулю, для подрешетки В соответственно К₂ 0, а для подрешетки С-К₃ 0.

При ориентации луча по нормали к апертуре решетки К₁ К₂ К₃ 0.

Для того, чтобы исключить фазовые ошибки коллимации в апертуре модуля, необходимо ввести нелинейные фазовые поправки в каждый фазовращатель ФАР. Это учитывается в расчетной формуле слагаемым с квадратным корнем из величины, определяемой геометрией решетки.

Последнее слагаемое (Ψ _i ) служит для компенсации фаз, обусловленных технологическими допусками на изготовление фазовращателей.

Таким образом, в предлагаемом устройстве достигается сочетание преимущества по точности установки фазовых соотношений, присущего поэлементному методу управления лучом, с преимуществами строчно-столбцового метода управления в части простоты алгоритма управления и конструкции цепей управления.

По сравнению с прототипом каждый спецвычислитель управляет лишь 1/3 от общего числа фазовращателей в антенной решетке, что позволяет упростить его конструкцию.

Время ввода информации в фазовращатели модуля ФАР в три раза меньше, чем в случае решетки с поэлементным управлением и таким же количеством фазовращателей. Это связано с тем, что апертура модуля разбита на три идентичные подрешетки ромбической формы, куда одновременно заносится информация о фазовых состояниях. Время ввода информации определяется по следующей формуле:
T τ x [N/3(N_o+1)] где τ время ввода информации в один столбец фазовращателей;
N общее количество фазовращателей в модуле ФАР;
N_o + 1 число фазовращателей в одном столбце.

Воздушная система термостабилизации 8 содержит воздуховоды, расположенные параллельно боковым граням каждой подрешетки 10 и создает параллельные воздушные потоки между печатными платами 9 ячеек управления 3, 4.

Шестиугольная форма апертуры модуля обеспечивает гексагональную упаковку модулей на каркасе модульной ФАР, что позволяет наращивать количество модулей (см. фиг. 4) и максимально сократить зазоры между модулями.

Примером конкретного выполнения фазированной антенной решетки модуля ФАР может служить устройство, конструкция которого изображена на фиг. 1 и 2. В антенной решетке модуля имеется 3600 излучателей и фазовращателей, сгруппированных в 36 ячеек управления (в каждой подрешетке содержится соответственно 1200 излучателей и фазовращателей, 12 ячеек управления). В каждой ячейке управления 6 линеек фазовращателей. От спецвычислителя к каждой подрешетке проложен жгут из 250 проводников.

В устройстве-прототипе с таким же числом фазовращателей, интегрированных по 4 элемента, потребовалось бы на порядок большее количество проводников для связи антенной решетки со спецвычислителем.

Согласно проведенной оценке, выигрыш в коэффициенте усиления антенной решетки по сравнению с устройством-прототипом составляет за счет повышения точности установки фазового распределения 1 дБ.

Использование: в радиолокационных системах с электрическим сканированием луча для повышения точности установки фазового распределения, увеличения коэффициента усиления и уменьшения времени переключения луча, модуля фазированной антенной решетки. Сущность изобретения: антенная решетка содержит три подрешетки ромбической формы, излучатели круговой поляризации, ячейки управления и три спецвычислителя. Апертура антенной решетки выполнена в виде правильного многоугольника, а каждая подрешетка состоит из N столбцов и M + 1 строк, расположенных под углом 120° друг к другу. Каждая ячейка управления выполнена в виде параллелограмма и содержит линейки фазовращателей и печатные платы. 4 ил.

ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА, содержащая облучатель, расположенный вдоль центральной оси решетки, апертура которой выполнена в виде правильного шестиугольника, в узлах гексагональной сетки которой расположены излучатели круговой поляризации, ячейки управления, выходы которых соединены с входами блока управления, выходы которых соединены с входами блока управления лучом, содержащего первый спецвычислитель, при этом каждая ячейка управления состоит из линейки фазовращателей и печатной платы, отличающаяся тем, что апертура антенной решетки выполнена в виде трех идентичных подрешеток ромбической формы, каждая из которых состоит из N_о столбцов и N_о + 1 строк, расположенных под углом 120^o друг к другу, в каждую ячейку управления, апертура которой выполнена в виде параллелограмма со сторонами, ориентированными вдоль строк и столбцов соответствующей подрешетки, введены параллельно расположенные линейки фазовращателей и платы управления, а в блок управления лучом введены два спецвычислителя, идентичных первому, причем каждый спецвычислитель соединен с выходами ячеек управления соответствующей подрешетки и выполнен с возможностью формирования величин фазовых сдвигов для фазовращателей соответствующей подрешетки в соответствии с выражением
ϕ_i= k₁·x_i+k₂y_i+k₃z_i+

где K₁, K₂, K₃ коды фазовых набегов по столбцам и строкам для соответствующей подрешетки;
λ длина волны;
x_i, y_i, z_i координаты излучателя круговой поляризации;
H высота фокального кольца облучателя над апертурой ФАР;
r_о радиус фокального кольца облучателя;
R_i радиус-вектор излучателя круговой поляризации;
j_i начальная фазовая длина i-го фазовращателя.