ПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА С ФАЗИРОВАННОЙ РЕШЕТКОЙ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ СОЗДАНИЯ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 1999 года по МПК H01Q21/22 H01Q3/22 

Настоящее изобретение относится к антенным системам, работающим в диапазоне СВЧ, и, более конкретно, к системам фазированных антенных решеток, в которых генерируется одновременно несколько лучей путем управления относительной фазой сигналов во множестве излучающих элементов и в которых амплитудой управляют путем подключения различного числа сфазированных усилителей к каждому из излучающих элементов.

Антенные решетки для систем радиолокации известны в течение многих лет и успешно применяются для формирования узких направленных лучей. Характеристики антенных решеток определяются геометрическим расположением излучающих элементов, а также амплитудой и фазой сигналов возбуждения на этих элементах.

Дальнейшие разработки в области радиолокации, такие как создание магнетрона и других передатчиков большой мощности для диапазона СВЧ, привели к повышению рабочих частот, обычно используемых в радиолокации. На этих более высоких частотах целесообразными стали более простые антенны, которые обычно содержат профилированные (параболические) отражатели, облучаемые посредством рупорной или какой-либо другой простой первичной антенны.

В дальнейшем по многим причинам важное значение приобрело электронное (безынерционное) сканирование, в том числе из-за скорости сканирования и возможности нацеливания луча произвольным или запрограммированным образом. С разработкой электронных фазовращателей и переключателей большее внимание при проектировании антенн стали уделять антенным решеткам, в которых каждый излучающий элемент может управляться индивидуально с помощью электроники. Управляемые фазовращатели в технике фазированных антенных решеток обеспечивают возможность быстрого и точного переключения лучей и, таким образом, позволяют радиолокационной станции осуществлять несколько функций, разделенных во времени или даже одновременно. Электронно управляемая радиолокационная станция с антенной решеткой способна отслеживать большое количество целей, облучать и/или маркировать несколько целей, осуществлять поиск в широком секторе с автоматической селекцией целей, чтобы иметь возможность отслеживать выбранную цель, и функционировать в качестве системы связи, направляя мощные лучи на отдаленные приемники и/или передатчики. Соответственно, важность антенных решеток с фазовым сканированием велика. В книге "Справочник по РЛС" Меррила И. Сколника, Мак Гроу Хилл (1970) на относительно современном уровне даются основные сведения, касающиеся антенных решеток вообще.

Известные антенные решетки описаны также в следующих материалах:
Патент США N 2967301 от 3 января 1961 г. описывает способ формирования последовательности лучей для определения скорости летательных аппаратов относительно земли.

Патент США N 3423756 от 21 января 1969 г. описывает устройство, в котором возбуждение электронно управляемой антенны с коническим сканированием осуществляется через многомодовый волновод, имеющий четыре настроенных объемных резонатора, расположенных вблизи волновода и соединенных с ним. Сигнал той частоты, на которую настроены эти объемные резонаторы, расщепляется на высшие моды, что приводит к смещению фазового центра излучения относительно центра раскрыва антенны. За счет настройки четырех объемных резонаторов на частоту этого сигнала осуществляется коническое сканирование. Сигналы других частот, если они достаточно удалены от частоты, на которую настроены объемные резонаторы, продолжают распространяться через волновод без искажений в нем.

Патент США N 3969729 от 13 июля 1976 г. описывает интегральный элемент/фазовращатель для использования в антенной решетке с фазовым сканированием. Несколько широкополосных передающих линий волноводного или полоскового типа последовательно возбуждают элементы антенной решетки. Четыре ВЧ диода размещены в щелях связи, расположенных симметричным образом во внешней проводящей стенке передающей линии, для того, чтобы изменять связь между передающей линией через щель связи с раскрывом каждого отдельного антенного элемента. Таким образом, каждый диод управляет долей электромагнитной энергии с соответствующей фазой, поступающей через конкретную щель к раскрыву отдельного антенного элемента, и этим определяет фазу указанного раскрыва.

Патент США N 4041501 от 9 августа 1977 г. описывает системы с антенными решетками, в которых эффективная диаграмма направленности каждого антенного элемента перестраивается посредством схем связи, чтобы соответствовать идеальной диаграмме направленности антенного элемента, необходимой для излучения луча в пределах заданного сектора пространства. Использование схем связи в варианте реализации сканирующей антенны значительно уменьшает необходимое число фазовращателей.

Патент США 4099181 от 4 июля 1978 г. описывает плоскую радиолокационную антенну для радиолокационного устройства, состоящую из множества упорядоченных излучающих элементов, расположенных параллельными рядами, причем величина энергии, протекающей между каждым из указанных элементов и радиолокационным устройством, может регулироваться. Излучающие элементы представляют собой волноводы с параллельными излучающими гранями, причем эти волноводы сгруппированы по четырем квадрантам, а каждый квадрант соединен с радиолокационным устройством посредством устройства возбуждения, приспособленного для работы в одном или двух режимах, в первом из которых оно возбуждает все волноводы в квадранте, а во втором оно возбуждает только ряды, ближайшие к центру антенны, исключая другие волноводы в квадранте. Предусмотрены средства для того, чтобы четыре устройства возбуждения работали одновременно в одинаковом режиме и чтобы в результате радиолокационная система излучала радиолокационный луч, который симметричен относительно центра антенны и принимает различную форму в соответствие с режимом устройства возбуждения.

Патент США N 4595926 от 17 июня 1986 г. описывает устройство формирования луча для линейной фазированной антенной решетки, которая может быть использована для приема и передачи в непрерывном режиме. Устройство содержит пару установленных одна за другой и образованных параллельными пластинами расфокусированных линз, которые обеспечивают заданное убывание амплитуды для линейной антенной решетки с целью получения диаграммы направленности с малыми боковыми лепестками. Для управления лучом использованы цифровые фазовращатели, а расфокусированные линзы декоррелируют ошибки квантования, которые возникают при использовании таких фазовращателей.

Патент США N 3546699 от 8 декабря 1970 г. описывает сканирующую антенную систему, содержащую неподвижную решетку из отдельных источников синфазной электромагнитной энергии, расположенных по дуге окружности, преобразователь, имеющий дугообразный входной контур, соответствующий этой дуге и расположенный вблизи нее, и линейный выходной контур, обладающий такой передаточной характеристикой, что излучаемая преобразователем энергия находится в фазе, а также устройство для вращения преобразователя в плоскости круга относительно центра этого круга.

Патент США N 5283587 от 1 февраля 1994 г. описывает антенну для одновременного излучения множества независимых лучей с целью обеспечить облучение требуемых областей без облучения других областей. Размер и форма подлежащих облучению областей являются функцией размера и числа элементов, входящих в решетку, а число лучей является функцией числа схем формирования луча, возбуждающих антенную решетку. Все элементы решетки работают на одном амплитудном уровне, а форма и направление лучей определяются установками фаз. Нет никакого указания на то, как получить убывание амплитуды в этом устройстве. В некоторых применениях недостаточно только базового распределения для достижения необходимой формы луча и подавления боковых лепестков.

Желательно создать антенную решетку, в которой все усилители обладали бы одинаковыми характеристиками, чтобы избежать фазовых искажений, вызванных использованием устройств с различными внутренними структурами, и в то же время создать эффективное убывание как амплитуды, так и фазы для каждого элемента в решетке.

Настоящее изобретение относится к передающей антенной системе с фазированной решеткой, включающей множество излучающих элементов, каждый из которых способен передавать электромагнитное излучение и к каждому из которых присоединен по меньшей мере один усилитель с постоянной амплитудой и фазой. Каждый излучающий элемент способен создавать излучение, синфазное с излучением других излучающих элементов решетки и отличающееся от последнего по амплитуде.

Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлен общий вид на упорядоченные элементы для активной передающей фазированной антенной решетки,
на фиг. 2 схематично представлен разрез одного элемента из множества элементов, используемых в многоэлементной фазированной антенной решетке, изображенной на фиг. 1;
на фиг. 3 схематично представлен вид сверху на воздушный резонатор, показанный на фиг. 2;
на фиг. 4 схематично представлен вид снизу на контроллер, представленный на фиг. 2;
на фиг. 5 представлен вид спереди на упорядоченные элементы активной передающей фазированной антенной решетки;
на фиг. 6 представлен один из вариантов схемы возбуждения, согласно которому антенный элемент (10) возбуждается посредством одного усилителя (68);
на фиг. 7 представлен альтернативный вариант схемы возбуждения, согласно которому антенный элемент (10) возбуждается посредством двух усилителей:
на фиг. 8 представлен еще один вариант схемы возбуждения, согласно которому антенный элемент (10) возбуждается посредством четырех усилителей;
на фиг. 9 представлен последний вариант схемы возбуждения, согласно которому антенный элемент (10) возбуждается посредством произвольного числа n усилителей (в данном случае n = 2).

Управление только фазой
На фиг. 1 представлена одна из возможных конструкций активной передающей фазированной антенной решетки 8, содержащая, например, 213 элементов 9, расположенных в виде шестиугольника, как описано в патенте США N 5263587, включенном в настоящее описание в качестве ссылки. На фиг. 2 изображен отдельный элемент 9, входящий в антенну 8, представленную на фиг. 1. Каждый элемент 9 на фиг. 1 идентичен изображенному на фиг. 2 и включает в себя излучатель 10 (как правило, рупорная антенна или излучатель микрополосковой антенны), способный излучать в двух ортогональных плоскостях поляризации с развязкой 25 дБ и более. Излучатель возбуждается через многополюсный полосовой фильтр 12, который предназначен для пропускания энергии в заданной полосе частот и подавления энергии других частот. Это особенно важно, если предлагаемая передающая антенна эксплуатируется как часть спутника связи, который имеет также приемную антенну (антенны), поскольку в противном случае паразитный сигнал от передатчика в полосе приема может вызвать насыщение и создать помехи в чувствительных элементах приемной антенны. На фиг. 2 фильтр 12 состоит из ряда последовательно соединенных резонаторов, расположенных таким образом, чтобы обеспечить высокую степень ортогональности, необходимую для обеспечения развязки, о которой шла речь выше.

Фильтр 12 связан с воздушным резонатором 14, установленным на подложке 36. В резонаторе 14 расположены высокоэффективные монолитные усилители, которые возбуждают ортогональную энергию СВЧ по двухтактной схеме. Из фиг. 3, где схематично представлен воздушный резонатор 14, изображенный на фиг. 2, видно, что это возбуждение достигается с помощью штырей 18, 20, 30 и 32, которые установлены в комбинации с соответствующими усилителями 22, 24, 26 и 28. На фиг. 3 штыри 18 и 20 расположены таким образом, что они возбуждают резонатор 14, находясь под углом 180^o друг к другу, так что их сигналы конструктивно складываются, когда поступают на излучатель 10. Это обеспечивает преобразование, необходимое для работы двухтактной схемы в случае, когда усилители 22 и 24 возбуждаются сигналами, сдвинутыми по фазе. Аналогично, с усилителей 26 и 28 сигнал поступает на штыри 30 и 32, которые расположены под углом 180^o друг к другу и, в свою очередь, под углом 90^o относительно штырей 18 и 20 так, что они могут возбуждать в резонаторе ортогональный сигнал СВЧ. Обе пары усилителей возбуждаются сигналами, сдвинутыми по фазе на 90^o, через гибридный вход 34 и противофазные ответвители 34a и 34b для создания круговой поляризации.

Для того, чтобы обеспечить точно одинаковые амплитуды и фазы, необходимые для создания круговой поляризации, усилители 22, 24, 26 и 28 должны быть фактически идентичными. Единственным практическим способом для достижения этой идентичности является использование монолитных ИС СВЧ-диапазона или подобной технологии при изготовлении усилителей.

На фиг. 3 обеспечивающий сдвиг на 90^o гибридный ответвитель 34 показан оканчивающимся двумя точками 35a и 35b. Эти точки представляют собой межслойные соединения от подложки 36, вид снизу на которую представлен на фиг.4, а другие концы этих межслойных соединений расположены в точках 38 и 39. Через одно из них возбуждается правополяризованное излучение, тогда как через другое - левополяризованное. Кроме того, если сигналы, проходящие через межслойные соединения, подавались бы непосредственно на противофазные ответвители 34a и 34b без сдвига фазы сигнала на 90^o в гибридном ответвителе 34, то излучение в лучах имело бы линейную поляризацию, а не круговую. Возбуждение на гибридный ответвитель 34 подается с предоконечных усилителей 40 и 42, выполненных как ИС (по одному усилителю для каждого направления вращения плоскости поляризации), через соединения 38 и 39. Требуемая поляризация для каждого луча выбирается посредством коммутирующей матрицы 44, которая к тому же суммирует все сигналы для каждой поляризации, чтобы осуществлять возбуждение предоконечных усилителей 40 и 42. Входное устройство 45 для каждого луча (на фиг. 4 показаны четыре устройства) состоит из электронно управляемого фазовращателя 48 и аттенюатора 46, которые используются для задания направления и формы (размера) каждого луча. Все элементы антенной решетки возбуждаются на одинаковом уровне для любого конкретного луча. Это отличает данную антенну от других передающих фазированных антенных решеток, в которых создается градиент амплитуды в поперечном направлении с целью уменьшения боковых лепестков диаграммы направленности.

Активная передающая фазированная антенная решетка, описанная в патенте США N 5283587, использует равномерное распределение мощности излучения по раскрыву (отсутствие градиента) для того, чтобы максимально увеличить коэффициент полезного действия антенны. В противном случае неполностью используются возможности элемента антенны по мощности. Полная наличная мощность может быть распределена среди совокупности лучей произвольным образом без потерь. Когда для данного луча установлено распределение мощности по элементам антенны путем установки аттенюаторов 46, устанавливают фазу (которая скорее всего различна для разных элементов), используя фазовращатели 48, чтобы обеспечить требуемые форму и направление луча. Установка фазы для обеспечения требуемых формы и направления луча осуществляется с помощью процесса синтезирования луча. Процесс синтеза является итерационной, требующей большого объема вычисления процедурой, которая может быть осуществлена компьютером. Цель синтеза - сформировать такой луч, который с наибольшей эффективностью облучает нужную область, не облучая нежелательные области. Область может быть представлена правильным многоугольником, причем минимальный размер любой стороны устанавливают путем выбора числа элементов в антенной решетке и их расположения. В общем случае чем больше элементов входит в антенную решетку, тем более сложной формы многоугольник можно синтезировать. В процессе формирования луча только за счет управления фазой сигнала достигается желаемая форма луча, но также генерируются главные лепестки высших порядков. Другой целью настоящего изобретения в случае, когда решетка используется в качестве спутниковой антенны, является сведение к минимуму относительной величины главных лепестков высших порядков и предотвращение их появления на участке земной поверхности, который находится в зоне видимости спутника, чтобы они не проявились как помехи в соседнем луче и чтобы избежать потерь мощности за счет облучения нежелательной области. Синтезирование сводит к минимуму главные лепестки высших порядков, оно может быть также использовано для генерации луча нулевой амплитуды в месте положения лепестка высшего порядка, который не может быть уменьшен до приемлемого уровня иным способом.

Управление фазой и амплитудой
Число независимых лучей, которые могут генерироваться активной передающей фазированной антенной решеткой, ограничено только количеством фазовращателей 48 и аттенюаторов 46, возбуждающих каждый элемент. В реализации, представленной на фиг. 1-4, для достижения требуемой формы луча используется только управление фазой. В классической теории антенн считается, что лучшего управления боковыми лепестками антенны и формой луча можно достичь при использовании как фазового, так и амплитудного убывания. Однако когда фазированную антенную решетку используют для передачи сигнала и применяют усилители (обычно твердотельные усилители мощности), то важно, чтобы эти усилители имели одинаковые амплитудные и фазовые передаточные характеристики.

Простейший способ достичь одинаковых амплитудных и фазовых характеристик - это сделать все усилители одинаковыми. Эта идентичность характеристик прекрасно достигается при использовании какой-либо технологии, позволяющей с высокой степенью надежности производить одинаковые усилители, - таковой является, как хорошо известно, технология производства монолитных ИС СВЧ-диапазона. Для усилителей, выполненных приблизительно идентичными, важно также, чтобы они возбуждались приблизительно одинаково. Это существенно потому, что передаточные характеристики усилителей изменяются с изменением уровня возбуждения. Если некоторые усилители работают с большей нагрузкой, чем другие, то возникнет расхождение в передаточных характеристиках усилителей, что в результате приведет к искажению диаграммы направленности антенны.

На фиг. 5 изображен вид спереди на решетку фазированной антенны 70, причем каждая окружность обозначает излучающий элемент 10, а число усилителей, подсоединенных к каждому из излучающих элементов 10, соответствует амплитуде сигнала, сформированного этим излучающим элементом. Наименьшая амплитуда в конфигурации по фиг. 5 равна 1. Представлены только амплитуды величиной 1, 2 и 4 (которые представляют собой целые числа, кратные минимальной амплитуде 1). На фиг. 5 представлена шестиугольная решетка (так как каждый элемент имеет 6 смежных элементов). Инкремент убывания составляет 1, 1, 2, 4, 4, т. е. каждый элемент на внешнем кольце 76a имеет амплитуду 1, соседние кольца 76b, 76c и 76d содержат элементы, характеризующиеся амплитудами 1, 2, 4 и, наконец, 4 соответственно. Несмотря на то, что в реализации на фиг. 5 представлено конкретное убывание 1, 1, 2, 4, 4, может быть осуществлено любое требуемое убывание при использовании принципов, изложенных ниже.

Имеются две реализации, которые обеспечивают возможность управления убыванием параметров сигнала в антенной решетке, давая в результате конфигурацию, представленную на фиг. 5, или любую подобную конфигурацию. Первая реализация названа гибридной конфигурацией, а вторая - параллельной конфигурацией.

Гибридная конфигурация
На фиг. 6-8 представлено несколько различных схем возбуждения, которые могут быть использованы для получения убывания, представленного на фиг. 5 (или убывания по любому другому закону, выбранного как оптимальное), с помощью 1, 2 или 4 усилителей, подсоединенных к каждому излучающему элементу 10. Необходимо учитывать убывание как фазы, так и амплитуды выходного сигнала. В антенной решетке подобного типа может быть получена мощность, в целое число раз превышающая минимальную мощность, подаваемую к любому из усилителей.

На фиг. 6-8 представлены схемы возбуждения излучающих элементов 10, в которых рекомбинация сигналов может быть достигнута путем подачи сигнала с одного или более усилителей 68 на один элемент 10. Конкретно, когда выход одного усилителя 68 соединен с квадратурным гибридным ответвителем 88 (квадратурный гибридный ответвитель представляет собой фазовый делитель, в котором сигналы на двух его выходах имеют по существу одинаковую амплитуду, а их фазы имеют относительный сдвиг 90^o) и этот квадратурный гибридный ответвитель 88 используется для возбуждения излучающего элемента 10 как в случае, представленном на фиг. 6, выход квадратурного гибридного ответвителя соединен с излучающим элементом 10 посредством двух штырей 84, закрепленных в непосредственной близости от излучающего элемента 10. Такая схема генерирует волновой фронт, который находится в фазе и в геометрической квадратуре для достижения круговой поляризации (в этом случае имеем волну типа ТЕ11). Подразумевается, что термин "излучающий элемент", используемый в этом описании, относится к любой рупорной антенне, излучателю микрополосковой антенны или любому другому устройству, способному испускать электромагнитное излучение.

Когда для возбуждения одного излучающего элемента используются два усилителя, как в случае, изображенном на фиг. 7, тогда каждый из усилителей может быть непосредственно соединен с одним из штырей 84 (один усилитель - последовательно с одним штырем). Сдвиг по фазе на 90^o может быть достигнут с помощью квадратурного гибридного ответвителя 88, как указано выше при описании фиг. 4. Два выхода квадратурного гибридного ответвителя 88 соединены со входом 90 каждого из усилителей 68. Такая схема обеспечивает подачу на излучающий элемент сигнала в два раза большей мощности, чем схема, представленная на фиг. 6.

На фиг. 8 иллюстрируется дальнейшее увеличение количества усилителей, используемых для возбуждения излучающего элемента 10, до четырех, что приводит к возрастанию мощности на выходе в четыре раза по сравнению со схемой на фиг. 6. Четыре штыря 84 смонтированы по периферии излучающего элемента (который предпочтительно имеет круглое или прямоугольное сечение) с дуговым интервалом 90^o. При этом сигналы на каждых двух соседних штырях должны иметь относительный фазовый сдвиг 90^o, чтобы конструктивно получить круговой волновой фронт излучения, которое будет распространяться в свободном пространстве. Это обеспечивается использованием одного квадратурного и двух противофазных гибридных ответвителей 100, 102 и 104 (под противофазным ответвителем здесь понимается фазовый делитель, сигналы на двух выходах которого имеют относительный фазовый сдвиг 180^o). Два выхода первого квадратурного гибридного ответвителя 100 соединены со входами двух противофазных гибридных ответвителей 102 и 104, как показано на фиг. 8. Выходы двух противофазных гибридных ответвителей 102 и 104 характеризуются сдвигом фаз 0 и 180, 90 и 270 градусов соответственно тому, как они размещены по периферии излучающего элемента 10. Таким образом, в излучающем элементе 10 конструктивно формируется круговой волновой фронт. Отметим, что хотя в описании используется термин "круговой волновой фронт", может быть также реализован эллиптический волновой фронт путем управления относительной величиной сигналов, подаваемых на каждый штырь. Поэтому в данном изобретении термин круговой волновой фронт включает и эллиптический волновой фронт.

Параллельная конфигурация
В описанной выше гибридной конфигурации согласно настоящему изобретению (фиг. 6-8) 1, 2 или 4 усилителя непосредственно возбуждают излучающий элемент, используя квадратурные и противофазные гибридные ответвители для обеспечения фазового сдвига, что в результате обеспечивает требуемое убывание. Несмотря на то, что эта конфигурация наиболее проста в реализации и для понимания, настоящее изобретение предусматривает альтернативную реализацию для создания убывания. Любое целое число (n) по существу идентичных усилителей возбуждается параллельно с помощью делителя мощности, а выходы этих усилителей соединены со входом сумматора мощности. Может быть использовано любое число n усилителей, которое согласуется с требуемой величиной фазового сдвига (360^o/n). Пример такой конфигурации, которая названа параллельной конфигурацией, представлен на фиг. 9. Выходной сигнал с сумматора мощности подается на квадратурный гибридный ответвитель, чтобы обеспечить круговую поляризацию.

Фраза "параллельно n элементов" означает, что каждый из n элементов возбуждается сигналом одинаковой амплитуды за счет того, что делитель мощности делит полный входной сигнал на число n усилителей, которые связаны с данным излучающим элементом, и подает на каждый усилитель 68 1/n часть полной мощности; затем сигналы вновь суммируются в n-канальном сумматоре мощности с малыми потерями таким образом, что на выходе сумматора достигается мощность, в n раз превышающая мощность, обеспечиваемую одним усилителем.

На фиг. 9 показано использование делителя 80 мощности с малыми потерями (который обычно представляет собой квадратурный гибридный ответвитель) и сумматора 82 мощности (который представляет собой квадратурный гибридный ответвитель, обратный в отношении включения делителю 80 мощности). Относительная фаза в канале 83, 85 каждого усилителя подобрана так, чтобы сигналы после повторного суммирования в сумматоре 82 мощности на выходе 0 были в фазе. Полный сигнал возбуждения, поданный на усилители 68 (вход делителя 80 мощности), должен увеличиться в n раз (на фиг. 9 n = 2) плюс на величину пассивных потерь в сумматоре и делителе, чтобы достичь одинакового уровня возбуждения на оконечных усилителях, при этом основной целью является увеличение выходной мощности в n раз. Мощность сигнала на выходе 0 будет в 2 раза превышать ту, которая могла бы быть достигнута данной схемой при использовании одного усилителя 68. Выходную мощность можно изменить до любой целой величины простым изменением числа усилителей 68, помещенных между делителем 80 мощности и сумматором 82 мощности. Все описанные выше элементы, представленные на фиг. 8, могут рассматриваться как схема 86 усиления мощности.

Выход 0 сумматора 82 мощности (а также схемы 86 усиления мощности) является входом схемы 87 деления мощности, которая идентична (по структуре и функциям) схеме на фиг. 6, за исключением того, что усилитель 68 заменен на схему 86 усиления мощности. Поэтому в схеме 87 деления мощности используются те же обозначения, как на схеме, представленной на фиг. 6. Круговая поляризация в излучающем элементе 10 достигается тем же способом, что изложен выше при описании фиг. 6, то есть за счет функционирования схемы 87 деления мощности, возбуждаемой схемой 86 усиления мощности.

Общие замечания
Если в рассмотренных выше вариантах осуществления настоящего изобретения излучающий элемент 10 представляет собой рупорную антенну, то сигналы, сформированные схемами возбуждения (показаны на фиг. 5-9), складываются в свободном пространстве в пределах раскрыва рупора. Если излучающий элемент 10 представляет собой излучатель микрополосковой линии на диэлектрике, то сигналы складываются в диэлектрике между штырями и элементом или в самой микрополосковой линии. Любое известное устройство, способное испускать электромагнитное излучение, может быть использовано в качестве излучающего элемента 10 в рамках настоящего изобретения.

Во всех реализациях настоящего изобретения усилители должны быть соединены непосредственно со штырями с тем, чтобы сигналы складывались в свободном пространстве рупора или в диэлектрике, имеющемся в микрополосковой антенне, наиболее эффективным образом для соединения множества усилителей (так как это сводит к минимуму нежелательные потери). Кроме того, хотя выходные сигналы излучающих элементов описаны как сигналы с круговой поляризацией, эллиптически поляризованные сигналы также находятся в рамках настоящего изобретения, и поэтому любое описание, касающееся круговой поляризации, относится также и к эллиптической поляризации.

Хотя настоящее изобретение было рассмотрено и описано на примерах предпочтительных вариантов его выполнения, специалистам в данной области должно быть понятно, что в настоящее изобретение можно внести различные изменения, не касаясь его объема и сути.

Изобретение относится к антенным системам, работающим в диапазоне СВЧ. Передающая антенная система с фазированной решеткой содержит множество излучающих элементов, каждый из которых способен передавать электромагнитное излучение. По меньшей мере один усилитель с постоянной амплитудой и фазой присоединен к излучающему элементу антенной решетки, причем каждый излучающий элемент способен передавать электромагнитное излучение, фаза которого совпадает с фазой излучения от других излучающих элементов решетки, а амплитуда отличается от амплитуды излучения других элементов согласно шаблонам, которые облегчают реализацию изобретения. Техническим результатом является создание антенной решетки, в которой все усилители обладают одинаковыми характеристиками, что позволяет избежать фазовых искажений. 3 с. и 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Передающая антенная система с фазированной решеткой для одновременного генерирования множества независимых лучей сигналов СВЧ с убыванием амплитуды, содержащая решетку из антенных элементов, множество антенных элементов которой содержит множество по существу идентичных СВЧ усилителей мощности и ответвителей для создания заранее заданного фазового сдвига между выходными СВЧ сигналами указанных СВЧ усилителей для формирования ортогональных СВЧ сигналов, имеющих заданные фазы, причем каждый из указанного множества антенных элементов указанной решетки передает один из множества одновременных лучей СВЧ и каждый из указанного множества антенных элементов дополнительно содержит излучающий элемент, реагирующий на указанный выходной СВЧ сигнал отдельных усилителей из указанного множества СВЧ усилителей для передачи указанных СВЧ сигналов в пространство в виде луча, имеющего направление и форму, а выход каждого из указанных отдельных СВЧ усилителей подключен к соответствующему излучающему элементу, отличающаяся тем, что все усилители из указанного множества СВЧ усилителей указанной решетки имеют одинаковый рабочий уровень мощности, причем амплитуды сигналов, формируемых излучающими элементами, представляют собой целые числа, кратные минимальной амплитуде, для формирования заранее заданного убывания амплитуды поперек указанной решетки, а число усилителей, подсоединенных к каждому из излучающих элементов, соответствует амплитуде сигнала, формируемого этим излучающим элементом. 2. Передающая антенная система по п.1, отличающаяся тем, что каждый антенный элемент дополнительно содержит резонатор, который соединен с излучающим элементом и включает первую пару СВЧ штырей, развернутых на 180^o друг относительно друга, и вторую пару СВЧ штырей, развернутых на 180^o друг относительно друга, причем первая и вторая пары СВЧ штырей развернуты на 90^o друг относительно друга, а указанные СВЧ усилители мощности соединены с соответствующими СВЧ штырями для возбуждения ортогональной СВЧ энергии в резонаторе. 3. Передающая антенная система по п.2, отличающаяся тем, что указанная решетка размещена на поверхности подложки, причем подложка включает фазовращательные устройства и аттенюаторные устройства, соединенные с первой и второй парами усилителей и штырей в резонаторе, для формирования сигналов с квадратурным фазовым сдвигом для создания круговой поляризации сигнала, при этом первая пара усилителей и штырей возбуждается для создания правой круговой поляризации, а вторая пара усилителей и штырей возбуждается для создания левой круговой поляризации. 4. Передающая антенная система по п.3, отличающаяся тем, что фазовращательные и аттенюаторные устройства содержат множество отдельных фазовращательных и аттенюаторных схем и коммутирующую матрицу, соединенную с каждой из фазовращательных и аттенюаторных схем для избирательного подключения сигналов разной поляризации к указанным парам усилителей и штырей в резонаторе, причем эти сигналы разной поляризации вместе с указанным множеством СВЧ усилителей обеспечивают направление и форму указанного луча СВЧ. 5. Передающая антенная система по п.4, отличающаяся тем, что указанные аттенюаторные устройства настроены так, что амплитуды лучей СВЧ, передаваемых излучающими элементами указанного множества антенных элементов, кратны минимальной амплитуде любого луча СВЧ, создаваемого любым антенным элементом указанной решетки. 6. Передающая антенная система по п.5, отличающаяся тем, что указанные фазовращательные и аттенюаторные схемы в каждом антенном элементе содержат множество цепей из последовательно соединенных фазовращателей и аттенюаторов, на каждую из которых подается отдельный сигнал мощности и каждая из которых соответствует отдельному лучу, передаваемому указанным антенным элементом, и вместе с указанным множеством СВЧ усилителей устанавливает направление и форму каждого соответствующего луча. 7. Передающая антенная система по п.6, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит управляющее устройство, соединенное с каждым из указанных фазовращателей и аттенюаторов, для настройки фазовращателя на заданные значения фазового сдвига для обеспечения заданных направлений и форм лучей. 8. Передающая антенная система по п.1, отличающаяся тем, что каждый из указанных СВЧ усилителей содержит усилитель в виде монолитной интегральной схемы СВЧ-диапазона. 9. Антенна с фазированной антенной решеткой с убыванием амплитуды, содержащая антенную решетку, включающую множество излучающих элементов, имеющих волновые фронты по существу с круговой поляризацией, отличающаяся тем, что каждый из излучающих элементов во внешнем кольце решетки имеет единичный уровень амплитуды излучения, а каждый из излучающих элементов в соседнем кольце имеет уровень амплитуды излучения, кратный единичному, причем антенна также содержит по существу идентичные усилители, возбуждаемые по существу с одинаковым уровнем возбуждения, и число этих усилителей, подключенных к каждому излучающему элементу, соответствует амплитуде сигнала, формируемого этим излучающим элементом. 10. Антенна по п.9, отличающаяся тем, что в указанном внешнем кольце решетки один СВЧ усилитель соединен с соответствующим излучающим элементом через квадратурный гибридный ответвитель, имеющий два выхода, соединенные с излучающим элементом, а в соседнем кольце к соответствующему излучающему элементу подключены по меньшей мере два СВЧ усилителя, возбуждаемые со сдвигом по фазе на 90^o. 11. Антенна по п.9, отличающаяся тем, что в указанном внешнем кольце решетки один СВЧ усилитель соединен с соответствующим излучающим элементом через квадратурный гибридный ответвитель, имеющий два выхода, соединенные с излучающим элементом, в указанном соседнем кольце к соответствующему излучающему элементу подключены два СВЧ усилителя, возбуждаемые со сдвигом по фазе на 90^o, а в следующем кольце, соседнем с указанным соседним кольцом, к каждому излучающему элементу подключены две пары СВЧ усилителей, возбуждаемых со сдвигом по фазе на 90^o. 12. Способ создания антенной решетки, имеющей множество излучающих элементов, каждый из которых может создавать сигнал излучения, причем амплитуда сигналов излучения может меняться от одного излучающего элемента к другому, отличающийся тем, что к каждому излучающему элементу подключают выходы по существу идентично выполненных и идентично возбуждаемых усилителей, число которых соответствует мощности выходного сигнала, генерируемого этим излучающим элементом. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что выходной сигнал имеет эллиптическую поляризацию. 14. Способ по п.12, отличающийся тем, что выходной сигнал имеет круговую поляризацию.