ПРИЕМНО-ПЕРЕДАЮЩИЙ МОДУЛЬ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 2003 года по МПК H01Q3/34 H01Q21/00 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к приемно-передающим элементам антенн, и может быть использовано в крупногабаритных проходных активных фазированных антенных решетках (АФАР) СВЧ-диапазона с электрическим сканированием луча.

Известен приемно-передающий модуль (ППМ) для АФАР, содержащий первый переключатель "передача-прием", первый контакт которого соединен с выходной клеммой передатчика радиолокационной станции (РЛС), а второй контакт - с входом управляемого фазовращателя, к выходу которого последовательно подключены управляемый аттенюатор и буферный усилитель, выход которого соединен с первым контактом второго переключателя "передача-прием", ко второму контакту которого подключены последовательно соединенные предварительный усилитель и усилитель мощности, выход которого соединен с первым плечом циркулятора, второе плечо которого связано с излучателем ППМ, а третье плечо - с первым контактом третьего переключателя "передача-прием", второй контакт которого соединен с согласованной нагрузкой, а третий контакт - с входом малошумящего усилителя, выход которого подключен к третьему контакту первого переключателя "передача-прием". Третий контакт второго переключателя "передача-прием" соединен с входной клеммой приемника РЛС. Кроме того, ППМ снабжен системой коррекции фазовых и амплитудных ошибок, которая подключена к управляемому фазовращателю и управляемому аттенюатору. Таким образом, в данном устройстве управляемый фазовращатель, управляемый аттенюатор и буферный усилитель являются общими элементами передающего и приемного каналов ППМ [1].

Недостатком известного ППМ является невозможность его применения в проходных АФАР, т.к. его запитка производится непосредственно от передатчика РЛС. Кроме того, большое количество переключателей требует очень высокой точности синхронизации их работы, постоянной корректировки фазовых и амплитудных ошибок, что усложняет конструкцию и, соответственно, снижает надежность работы устройства.

Этот недостаток частично устранен в ППМ, содержащем антенный переключатель, одно плечо которого связано с передатчиком, второе - с приемником РЛС, а третье - с последовательно включенными управляемым аттенюатором, управляемым фазовращателем и первым плечом СВЧ-переключателя, ко второму плечу которого подключен вход передающего канала, содержащего последовательно соединенные предварительный усилитель и усилитель мощности, выход которого подключен к первому плечу Y-циркулятора, второе плечо которого связано с излучателем, а третье плечо - с входом приемного канала, содержащего последовательно соединенные защитное устройство, малошумящий усилитель и оконечный усилитель, выход которого подсоединен к третьему плечу СВЧ-переключателя. Управляемые аттенюатор и фазовращатель, СВЧ-переключатель связаны с управляющим микропроцессором и являются общими элементами для передающего и приемного каналов ППМ. Все элементы устройства выполнены по планарной технологии и на интегральных микросхемах [2, 3, см. чертеж].

Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известного ППМ (прототипа), является принципиальная необходимость переключения (перекоммутации) СВЧ входов и выходов ППМ и фазовращателя с приемного канала на передающий и обратно, а также перефазирования фазовращателя при смене режимов прием/передача, что ограничивает производительность РЛС и класс используемых зондирующих сигналов. Кроме того, построение известного ППМ требует наличия быстродействующих СВЧ-переключателей (как минимум 3-х) с соответствующей системой разводки управляющих команд и сигналов по полотну АФАР с высокой степенью временной синхронизации, что снижает надежность ее работы.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей заявленного изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности приемно-передающего модуля, пригодного для работы в проходных АФАР линзового типа.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный приемно-передающий модуль, содержащий управляемый аттенюатор, первый управляемый фазовращатель, усилитель мощности, второй Y-циркулятор, второй излучатель, защитное устройство, малошумящий усилитель, управляющий микропроцессор, согласно изобретению введены первый излучатель, управляемый импульсный модулятор, первый и третий Y-циркуляторы, первый и второй вентили, согласованная нагрузка, при этом первый излучатель подключен к первому плечу первого Y-циркулятора, ко второму плечу которого подключен вход передающего канала, содержащего последовательно включенные первый управляемый фазовращатель, управляемый аттенюатор, первый вентиль и усилитель мощности, ко второму входу которого подключен управляемый импульсный модулятор, а к выходу - первое плечо второго Y-циркулятора, второе плечо которого связано со вторым излучателем, а третье - с первым плечом третьего Y-циркулятора, к третьему плечу которого подключена согласованная нагрузка, а ко второму - вход приемного канала, содержащего последовательно включенные защитное устройство, малошумящий усилитель, второй вентиль и второй управляемый фазовращатель, выход которого подключен к третьему плечу первого Y-циркулятора, при этом управляющие входы первого и второго управляемых фазовращателей, аттенюатора и управляемого импульсного модулятора связаны с соответствующими выходами управляющего микропроцессора.

Благодаря заявленной совокупности новых признаков изобретения (пассивные Y-циркуляторы, пассивное защитное устройство в приемном канале, модулятор для клапанирования низкочастотного питания усилителя мощности, отдельные вентили и управляемые фазовращатели в передающем и приемном каналах) достигаются:
- максимальное упрощение системы разводки по полотну АФАР СВЧ-сигнала возбуждения ППМ;
- существенное облегчение работы с использованием квазинепрерывных импульсно-пачечных сигналов, т.к. исключается принудительное переключение ППМ при смене режимов "прием-передача";
- эффективная защита приемного канала как от сигнала развязки во время излучения зондирующего сигнала, так и от мощных внешних СВЧ-воздействий;
- возможность независимого управления фазовым распределением на раскрыве АФАР в передающем и приемном режимах, благодаря чему обеспечивается независимое формирование фазового распределения в раскрыве АФАР при работе на прием и передачу, что существенно повышает функциональные возможности РЛС и позволяет максимально эффективно использовать СВЧ-энергетику ППМ АФАР;
- устранение шумов передающего канала в паузе между излучаемыми импульсами.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема приемно-передающего модуля активной фазированной антенной решетки.

Приемно-передающий модуль активной фазированной антенной решетки содержит первый излучатель 1, подключенный к первому плечу первого Y-циркулятора (Ц-1) 2, ко второму плечу которого подключен вход передающего канала, а к третьему - выход приемного канала ППМ. Передающий канал ППМ включает в себя последовательно соединенные первый управляемый фазовращатель (Ф-1) 3, вход которого является входом канала, управляемый аттенюатор (Атт.) 4, первый вентиль (В-1) 5 и усилитель мощности (УМ) 6, ко второму входу которого подключен управляемый импульсный модулятор (М) 7. Выход УМ 6 соединен с первым плечом второго Y-циркулятора (Ц-2) 8, ко второму плечу которого подключен второй излучатель 9, а к третьему плечу - первое плечо третьего Y-циркулятора (Ц-3) 10. Его второе плечо соединено с входом приемного канала ППМ, а третье плечо - с согласованной нагрузкой 11, выполненной, например, в виде резистора, один вывод которого соединен с корпусом ППМ. Приемный канал ППМ включает в себя последовательно включенные защитное устройство (ЗУ) 12, вход которого является входом канала, малошумящий усилитель (МШУ) 13, второй вентиль (В-2) 14 и второй управляемый фазовращатель (Ф-2) 15, выход которого соединен с третьим плечом первого Y-циркулятора 2.

Первый 1 и второй 9 излучатели могут быть выполнены в виде печатных вибраторов на диэлектрической подложке. Первый 2, второй 8 и третий 10 Y-циркуляторы выполнены в виде пассивных печатных Y-циркуляторов. При этом первый излучатель 1 и первый Ц-1 2 обеспечивают развязку передающего и приемного каналов ППМ со стороны облучателя АФАР, а второй Ц-2 8 и второй излучатель 9 - развязку передающего и приемного каналов со стороны внешнего пространства. В качестве Ф-1 3 и Ф-2 15 использованы чтырехразрядные дискретные фазовращатели с цифровым управлением. В качестве Атт. 4 использован четырехразрядный дискретный аттенюатор с цифровым управлением. В качестве В-15 и В-2 14 использованы вентили в виде печатных Y-циркуляторов с поглощающей нагрузкой в одном из плеч. Вентили предназначены для предотвращения самовозбуждения передающего и приемного каналов ППМ. В качестве УМ 6 использован пятикаскадный усилитель, в низкочастотную цепь питания которого включен управляемый импульсный модулятор (М) 7, выполненный в виде транзисторного ключа. ЗУ 12 представляет собой пассивное быстродействующее защитное устройство, выполненное в виде микросборки на СВЧ ограничительных pin-диодах. В качестве МШУ 13 использован трехкаскадный усилитель на GaAs полевых транзисторах с барьером Шотки (ПТШ). Управляющие входы Ф-1 3, Ф-2 15, Атт. 4 и М7 связаны с соответствующими выходами микропроцессора (МП) 16, выполненного, например, на логических кремний-металл-окисел-полупроводниковых сверхбольших интегральных схемах (КМОП СБИС).

Описанный ППМ АФАР выполнен по планарной технологии и на интегральных микросхемах. Конструктивно он монтируется на диэлектрических пластинах, которые собираются в блоки и устанавливаются в силовом корпусе АФАР.

ППМ АФАР работает следующим образом. Зондирующий СВЧ-сигнал из облучателя АФАР через эфир попадает на первый излучатель 1 и далее, пройдя первое плечо первого Y-циркулятора Ц-1 2, поступает в передающий канал на вход первого управляемого фазовращателя Ф-1 3. Благодаря свойствам Y-циркулятора, этот сигнал в приемный канал не попадает. В Ф-1 3 сигнал приобретает фазовый сдвиг в соответствии с внешними цифровыми кодами управления, поступающими на его управляющие входы с микропроцессора МП 16. Далее сигнал подается на вход управляемого аттенюатора Атт. 4, в котором регулируется его амплитуда в соответствии с внешними цифровыми кодами управления, поступающими на его управляющие входы с МП 16. Для предотвращения самовозбуждения ППМ СВЧ-сигнал с выхода Атт. 4 на вход усилителя мощности УМ 6 подается через первый вентиль В-1 5. В УМ 6 осуществляется линейное усиление СВЧ-сигнала и его импульсная модуляция с помощью модулятора М 7, клапанирующего мощное низкочастотное питание усилителя в соответствии с внешним управляющим сигналом, поступающим на управляющий вход М 7 из МП 16. С выхода УМ 6 сформированный зондирующий СВЧ-сигнал поступает в первое плечо второго Y-циркулятора Ц-2 8, выходит из его второго плеча, попадает во второй излучатель 9 и излучается во внешнее пространство. Приемный канал в этот момент работает в режиме запирания, при котором паразитный СВЧ-сигнал повышенной мощности, отразившийся от второго излучателя 9 и прошедший в третье плечо Ц-2 8 (или посторонний СВЧ-сигнал из внешнего пространства), попадает в первое плечо третьего Y-циркулятора Ц-3 10, выходит из его второго плеча и подается на вход защитного устройства ЗУ 12, которое в этот момент скачком переходит в режим запирания (ограничения). Отразившись от входа ЗУ 12, паразитный СВЧ-сигнал возвращается во второе плечо Ц-3 10, выходит из его третьего плеча и гасится в согласованной нагрузке 11. Таким образом, с одной стороны малошумящий усилитель МШУ 13 приемного канала защищается от недопустимо мощных паразитных СВЧ входных сигналов, а с другой стороны - УМ 6 передающего канала защищается от воздействия отраженного от ЗУ 12 СВЧ-сигнала, который в отсутствие Ц-3 10 и согласованной нагрузки 11 попал бы на выход УМ 6.

Прием полезных сигналов осуществляется в паузах между импульсами, излучаемыми передающим каналом ППМ, и при отсутствии мощных внешних помеховых СВЧ-воздействий на входе приемного канала. Приходящий из внешнего пространства полезный СВЧ-сигнал принимается вторым излучателем 9, из него проходит во второе плечо Ц-2 8, выходит из его третьего плеча, попадает в первое плечо Ц-3 10 и, выйдя из его второго плеча, поступает на вход защитного устройства ЗУ 12. Если уровень принятого СВЧ-сигнала не превышает установленного в ЗУ 12 порога, то он проходит далее на вход малошумящего усилителя МШУ 13, линейно усиливается, проходит через второй вентиль В-2 14 и подается на вход второго управляемого фазовращателя Ф-2 15. Здесь СВЧ-сигнал приобретает фазовый сдвиг в соответствии с внешними цифровыми кодами управления, поступающими на его управляющие входы с микропроцессора МП 16. С выхода Ф-2 15 СВЧ-сигнал проходит в третье плечо первого Y-циркулятора Ц-1 2, выходит из его первого плеча, попадает в первый излучатель 1, фокусируется им и через эфир попадает в приемную часть облучателя АФАР.

Источники информации
1. US 5093667, 1992, Int. Cl. H 01 Q 3/26, US C1, 342/372.

2. US 5745076, 1998, Int.Cl. H 01 Q 3/24, US C1, 342/372.

3. US 5940031, 1999, Int.Cl. H 01 Q 3/26, US C1, 342/372.

Изобретение относится к антеннам. Техническим результатом является упрощение и повышение надежности приемно-передающего модуля активной фазированной решетки. В приемно-передающем модуле активной фазированной антенной решетки первый излучатель подключен к первому плечу первого Y-циркулятора, ко второму плечу которого подключен вход передающего канала, содержащего последовательно включенные первый управляемый фазовращатель, управляемый аттенюатор, первый вентиль и усилитель мощности, ко второму входу которого подключен управляемый импульсный модулятор. К выходу усилителя мощности подключено первое плечо второго Y-циркулятора, второе плечо которого связано со вторым излучателем, а третье - с первым плечом третьего Y-циркулятора, к третьему плечу которого подключена согласованная нагрузка, а ко второму - вход приемного канала. Он содержит последовательно включенные защитное устройство, малошумящий усилитель, второй вентиль и второй управляемый фазовращатель, выход которого подключен к третьему плечу первого Y-циркулятора. Управляющие входы первого и второго управляемых фазовращателей, аттенюатора и управляемого импульсного модулятора связаны с соответствующими выходами управляющего микропроцессора. 1 ил.

Приемно-передающий модуль активной фазированной антенной решетки, содержащий управляемый аттенюатор, первый управляемый фазовращатель, усилитель мощности, второй Y-циркулятор, второй излучатель, защитное устройство, малошумящий усилитель, управляющий микропроцессор, отличающийся тем, что в него введены первый излучатель, управляемый импульсный модулятор, первый и третий Y-циркуляторы, первый и второй вентили, согласованная нагрузка, при этом первый излучатель подключен к первому плечу первого Y-циркулятора, ко второму плечу которого подключен вход передающего канала, содержащего последовательно включенные первый управляемый фазовращатель, управляемый аттенюатор, первый вентиль и усилитель мощности, ко второму входу которого подключен управляемый импульсный модулятор, а к выходу - первое плечо второго Y-циркулятора, второе плечо которого связано со вторым излучателем, а третье - с первым плечом третьего Y-циркулятора, к третьему плечу которого подключена согласованная нагрузка, а ко второму - вход приемного канала, содержащего последовательно включенные защитное устройство, малошумящий усилитель, второй вентиль и второй управляемый фазовращатель, выход которого подключен к третьему плечу первого Y-циркулятора, при этом управляющие входы первого и второго управляемых фазовращателей, аттенюатора и управляемого импульсного модулятора связаны с соответствующими выходами управляющего микропроцессора.