ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2003 года по МПК H01Q21/00 

Предлагаемое техническое решение относится к технике СВЧ, в частности к фазированным антенным решеткам.

Известна фазированная антенная решетка (ФАР) [1, 2], которая содержит распределительную систему СВЧ-сигнала, ферритовые фазовращатели Реджиа-Спенсера и излучатели. Такая ФАР имеет существенные недостатки, первый из которых заключается в том, что из-за наличия глубоких пиков потерь (3-4) дБ, обусловленных принципом действия фазовращателя, рабочая полоса частот такой ФАР не превышает (5-6)%, что во многих случаях недостаточно. Вторым существенным недостатком ФАР является неизменность амплитудного распределения на раскрыве, которое определяется, как правило, необходимостью получения коэффициента усиления (КУ) ФАР, близкого к максимальному. При этом достигается частный компромисс между КУ и уровнем боковых лепестков (УБЛ). Однако при эксплуатации ФАР часто требуется обеспечивать такие режимы, при которых необходимо уменьшать УБЛ при допустимом снижении КУ. В данной ФАР это невозможно.

Наиболее близкой по технической сущности является ФАР [3], которая содержит распределительную систему СВЧ-сигнала, излучатели и двухмодовые ферритовые фазовращатели. Каждый двухмодовый ферритовый фазовращатель (см., например, [4] ) состоит из фазосдвигающей секции с соленоидальной обмоткой управления фазой, двух невзаимных поляризаторов, в каждом из которых содержится четыре постоянных магнита, создающих в СВЧ-феррите поперечное квадрупольное магнитное поле, и двух поглотителей ортогональной поляризации на концах фазовращателя. Такой фазовращатель не имеет пиков потерь, в связи с чем рабочая полоса его существенно шире и достигает 10-12%. Однако в такой ФАР амплитудное распределение также неизменно, что не позволяет обеспечивать режим с уменьшенным УБЛ.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в значительном уменьшении уровня бокового излучения ФАР. Указанный результат достигается тем, что фазированная антенная решетка содержит систему распределения СВЧ-сигнала, вход которой является первым входом фазированной антенной решетки, систему излучателей и N двухмодовых фазовращателей, каждый из которых состоит из поляризатора с постоянными магнитами, двух поглотителей и фазосдвигающей секции, причем N выходов системы распределения СВЧ-сигнала подключены к первым входам N фазовращателей, выходы которых соединены с соответствующими входами системы излучателей.

В ФАР введен блок управления поляризаторами, а в каждый двухмодовый фазовращатель введен второй поляризатор с магнитопроводом и обмоткой управления. Первый вход блока управления поляризаторами является вторым входом фазированной антенной решетки, второй его вход - третьим входом фазированной антенной решетки. Каждый из N выходов блока управления поляризаторами соединен со вторым входом N-гo двухмодового фазовращателя, к которому подсоединена обмотка поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления.

Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными признаками позволяют успешно реализовать поставленную цель.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемой фазированной антенной решетки.

На фиг.2 представлена блок-схема блока управления поляризаторами.

На фиг.3 представлена блок-схема фазовращателя.

На фиг.4 представлено поперечное сечение поляризатора с постоянными магнитами.

На фиг.5 представлено поперечное сечение поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления.

Фазированная антенная решетка состоит из системы распределения СВЧ-сигнала 1, выполненной, например, в виде волноводных линеек ответвителей, системы излучателей 2, блока управления поляризаторами 3, выполненного, например, по блок-схеме приведенной на фиг.2, N фазовращателей 4, пример выполнения каждого из которых приведен на фиг.3, 4, 5, причем N выходов системы распределения СВЧ-сигнала 1, вход которой является первым входом фазированной антенной решетки, подключены к первым входам каждого N-го фазовращателя 4, ко вторым входам каждого N-го фазовращателя 4 подключен каждый N-ый выход блока управления поляризаторами 3. Выход каждого N-гo фазовращателя 4 соединен с каждым N-ым входом системы излучателей 2.

Блок управления поляризаторами 3, выполненный, например, по блок-схеме, приведенной на фиг.2, состоит из дешифратора адресов 5, N регистров памяти 6 и N цифроаналоговых преобразователей 7, выполненных, например, по схеме с биполярным выходом.

Фазовращатель 4, выполненный, например, по блок-схеме, приведенной на фиг.3, состоит из первого поглотителя 8, второго поглотителя 9, поляризагора с постоянными магнитами 10, поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления 11, фазосдвигающей секции 12. Поляризатор с постоянными магнитами, поперечное сечение которого приведено на фиг. 4, состоит из вкладыша из СВЧ-феррита 13, волновода 14, четырех постоянных магнитов 15.

Поляризатор с магнитопроводом и обмоткой управления, поперечное сечение которого приведено на фиг.3, состоит из вкладыша из СВЧ-феррита 16 волновода 17, магнитопровода 18, обмотки управления 19.

Фазированная антенная решетка работает следующим образом: СВЧ-сигнал с линейной поляризацией поступает на вход 1 ФАР и через систему распределения СВЧ-сигнала 1 линейно-поляризованный сигнал подается на первый вход каждого N-гo фазовращателя 4. В поляризаторе с постоянными магнитами 10 сигнал приобретает круговую поляризацию и, проходя фазосдвигающую секцию 12, получает сдвиг фазы, необходимый для создания требуемого фазового фронта на раскрыве ФАР. После прохождения поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления 11 сигнал становится вновь линейно-поляризованным и через систему излучателей 2 поступает в пространство. При этом в обмотке управления 19 поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления 11 должен течь ток, величина которого обеспечивает оптимальное преобразование сигнала с круговой поляризацией в сигнал с линейной поляризацией, а направление линейной поляризации определяется направлением квадрупольного магнитного поля в поляризаторе с постоянными магнитами 10. Если, например, электрические векторы сигналов на первом входе и выходе любого N-го фазовращателя 4 должны совпадать, то для осуществления излучения сигнала, квадрупольные магнитные поля поляризатора с постоянными магнитами 10 и поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления 11 должны быть противоположны. В этом случае при обеспечении заданного фазового фронта уровень боковых лепестков ФАР определяется амплитудным распределением на раскрыве.

Известно [5] , что для достижения максимального КУ, амплитудное распределение на раскрыве должно быть равномерным. УБЛ, который получается при этом, довольно большой (-13 дБ) и для многих режимов необходимо иметь его гораздо меньшее значение. Это можно осуществить [5] путем уменьшения амплитудного распределения к краям ФАР.

В предлагаемом техническом решении это производится введением затухания СВЧ-сигнала в фазовращатели 4 путем изменения тока в обмотке 19 поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления 11 (фиг.5) по команде, поступающей от блока управления поляризаторами 3 (фиг.1).

При уменьшении тока в обмотке 19 поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления 11 от оптимального значения до нуля затухание фазовращателя увеличивается на 3 дБ. Далее при изменении направления тока в обмотке 19 поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления 11 и увеличении его по абсолютной величине до оптимального значения, затухание увеличивается неограниченно, так как при этом поляризация выходного сигнала поворачивается на 90^o, и он полностью затухает во втором поглотителе 9. На практике затухание достигает 25-30 дБ.

Для того, чтобы каждый фазовращатель обеспечивал заданное затухание, на вход 1 блока управления поляризаторами 3, который является вторым входом ФАР и, соответственно, на входы дешифратора 5 поступают коды адресов. На N выходах дешифратора 5 формируется N сигналов, которые поступают соответственно на первые входы N регистров памяти 6. На второй вход блока управления поляризаторами 3, который является третьим входом ФАР, и, соответственно, на вторые входы N регистров памяти 6 поступают коды управления током.

При совпадении по времени сигналов на первом и втором входах N-го регистра происходит запись кода тока для обмотки 19 поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления 11 N-го фазовращателя в память N-го регистра 6. С выхода N-го регистра 6 записанный код тока поступает в N-й ЦАП 7, в котором он преобразуется в ток управления поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления 11 N-го фазовращателя 4. При изменении кода управления током обмотки поляризатора от нулевого (все нули) до максимального (все единицы) ток обмотки 19 поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления 11 изменяется от максимального отрицательного до максимального положительного, что обеспечивает изменение затухания фазовращателя от минимального до максимального. В соответствии с номером фазовращателя 4 и его расположением на раскрыве ФАР на обмотку его поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления 11 подается ток, соответствующий расчетному затуханию выбранного амплитудного распределения, в результате чего на раскрыве ФАР создается требуемое амплитудное распределение и обеспечивается требуемый уровень боковых лепестков.

Предлагаемое техническое решение позволяет получить на раскрыве ФАР амплитудные распределения, которые создают диаграммы направленности ФАР с низким УБЛ. Например, при преобразовании равномерного распределения в распределение типа cosⁿ р/2 (см. [5], стр. 74, табл. 2) можно получить при n=1 выигрыш по уменьшению УБЛ 10 дБ, при n=2 выигрыш по УБЛ составляет около 19 дБ и т.д.

Предлагаемое техническое решение позволяет в процессе эксплуатации ФАР значительно уменьшать УБЛ.

Литература
1. R. Clockler, Phased array for millimeter wave frequencies Jnt. J. Infrared and millimeter waves, 1990, 11, 2, р. 101-110, GB).

2. А. И. Синани и др. Антенные системы с электронным управлением лучом для бортовых РЛС, сборник "Электронное управление лучом в бортовых радиолокационных комплексах", С.Петербург, 2000, стр. 8-20.

3. S.P. Williams, L.E. Corey, "Mechnisms that contribute, to the far field polarisation properties of phasedarray antennas". Antennas and Propag., Simp San Jose, Calif. June 1989, p. 412-415, GB).

4. C. R. Boyd, "A Dual-Mode Latching Reciprocal Ferrite Phase Shifter", IEEE Trans., MTT, vol, MTT - 18, 12, Dec. 1970 г.

5. Сканирующие антенные системы СВЧ./Под ред. Р Хансена, перевод. М., т. 1, 1966 г.

Предлагаемое техническое решение относится к технике СВЧ, в частности к фазированным антенным решеткам. Фазированная антенная решетка содержит систему распределения СВЧ-сигнала, вход которой является первым входом фазированной антенной решетки, систему излучателей и N двухмодовых фазовращателей, каждый из которых состоит из поляризатора с постоянными магнитами, двух поглотителей и фазосдвигающей секции, причем N выходов системы распределения СВЧ-сигнала подключены к первым входам соответствующих N фазовращателей, выход которых соединен с соответствующими входами системы излучателей. Для уменьшения уровня бокового излучения в нее введены блок управления поляризаторами, первый вход которого является вторым входом фазированной антенной решетки, а второй вход его третьим входом фазированной антенной решетки, причем каждый из N выходов блока управления поляризаторами соединен с обмоткой управления дополнительно введенного в каждый N двухмодовый фазовращатель поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления. Техническим результатом является уменьшение уровня бокового излучения. 5 ил.

Фазированная антенная решетка, содержащая систему распределения СВЧ сигнала, вход которой является первым входом фазированной антенной решетки, систему излучателей и N двухмодовых фазовращателей, где N - целое число, каждый из которых состоит из поляризатора с постоянными магнитами, двух поглотителей и фазосдвигающей секции, причем N выходов системы распределения СВЧ сигнала подключены к первым входам соответствующих N фазовращателей, выходы которых соединены с соответствующими входами системы излучателей, отличающаяся тем, что в нее введен блок управления поляризаторами и в каждый двухмодовый фазовращатель введен второй поляризатор с магнитопроводом и обмоткой управления, причем сигнал с линейной поляризацией в поляризаторе с постоянными магнитами преобразуют в сигнал с круговой поляризацией, который проходя фазосдвигающую секцию получает сдвиг фазы, затем после прохождения поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления становится вновь линейно-поляризованным и поступает на систему излучателей, при этом первый вход блока управления поляризаторами является вторым входом фазированной антенной решетки, второй его вход - третьим входом фазированной антенной решетки, а каждый из N выходов блока управления поляризаторами соединен со вторым входом N-го двухмодового фазовращателя, к которому подсоединена обмотка поляризатора с магнитопроводом и обмоткой управления.