АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С ИЗМЕНЯЕМОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ Российский патент 2006 года по МПК H01Q3/00 H01Q21/29 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антенной технике СВЧ радиосистем.

Конкретными областями применения объекта являются радиолокация, радиосвязь, телеуправление подвижными объектами.

Известны антенные решетки (АР), в том числе фазированные антенные решетки (ФАР), среди которых выделяются активные фазированные антеннные решетки (АФАР). В зависимости от геометрии расположения излучателей в пространстве они подразделяются на одномерные (линейные, кольцевые, дуговые), двумерные (поверхностные) и трехмерные (выпуклые) [1] (см. стр.13) "Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток ". Под ред. д.т.н. проф. Д.И.Воскресенского. "Радиотехника", М., 2003.

К выпуклым можно отнести и многогранные АР, представляющие собой пространственную систему плоских решеток, располагаемых на гранях выпуклых многогранников.

Плоские фазированные антенные решетки (ФАР) имеют ограниченный сектор электрического сканирования ±(40÷50°) и являются узкополосными [1]. Современные АР строятся на основе применения активных элементов в приемном и передающем тракте. Такие АР относятся к активным фазированным антенным решеткам (АФАР).

Поэтому широкоугольное сканирование, в том числе круговой обзор, вынуждают перейти от плоских к выпуклым решеткам, в частности к многогранным.

АФАР для полусферического обзора пространства, помимо обычных требований к остронаправленным антенным системам (минимальный уровень боковых лепестков, минимальные потери и т.п.), должна удовлетворять некоторым специфическим требованиям [2] (см. стр.4) "В.Е.Ямайкин. Сравнительная оценка пирамидальных ФАР с полусферическим обзором, оптимизированным по апертурным параметрам". Сборник по теме НИР "Нарочь-5", Москва, 1971 (Ксерокопия статьи - прилагается).

Это следующие требования:

- минимальное изменение усиления при сканировании;

- минимальные габаритные размеры;

- минимальное количество управляемых элементов;

- минимальный объем информации, обрабатываемый ЭВМ в процессе сканирования.

Сферические ФАР в наибольшей степени удовлетворяют этим требованиям за исключением последнего.

Однако в конструктивном отношении оказались более удобными предложенные в 1963 г. системы, состоящие из нескольких ФАР (субрешеток), расположенных на гранях пирамиды [2] (см. стр.3, 4).

Система питания и программа управления пирамидальной ФАР значительно проще, чем у сферической ФАР.

Приведенные в [2] выводы при сравнительном анализе пирамидальной ФАР (ФАР П) и усеченных пирамидальных ФАР (ФАР УП) сводятся к следующему:

1. В режиме независимого фазирования ФАР УП по всем основным показателям превосходит ФАР П.

2. Наилучшие параметры имеют ФАР УП с числом боковых граней М=4-6, причем в конструктивном отношении является оптимальным М=4.

Таким образом, наиболее близким аналогом, принимаемым за прототип, является АФАР УП с числом боковых граней М=4 и жесткими механическими связями между гранями пирамиды [2] (см. стр.9, 10).

Однако недостатком прототипа является статичность компоновочной структуры (жесткость конструктивных связей), создающая ограничения функциональных возможностей АФАР и не позволяющая производить ее пространственную реконфигурацию и наращивание одних параметров за счет не используемых других.

Таким образом, задачей изобретения (для случая применения АФАР в составе РЛС) является увеличение функциональных возможностей АФАР за счет изменения ее формы при ее работе в различных режимах работы РЛС при одновременном увеличении значений параметров, необходимых для работы в выбранном режиме.

Поставленная задача решается за счет наличия возможности изменения формы конструкции усеченной пирамидальной АФАР и подвижных (шарнирных) связей между ее гранями и верхним основанием, а также наличием в ней двух осей вращения горизонтальной и вертикальной для обеспечения ее угловых перемещений (на 90° и n·360° - соответственно).

В выпуклой АФАР в виде многогранной усеченной пирамиды с верхним основанием, в форме многоугольника, на котором расположена одна из подрешеток АФАР и несколько боковых граней, на которых также размещены подрешетки АФАР - соединения верхних ребер боковых граней с соответствующими ребрами верхнего основания выполнены подвижными в виде шарнирных петель, обеспечивающих разворот боковых граней с образованием единой с верхним основанием плоскости, а закрепление формы в свернутом или развернутом состоянии обеспечивается фиксаторами и крепежными элементами.

В этом состоит первое основное отличие от прототипа.

Вторым отличием от прототипа является то, что АФАР снабжена горизонтальной осью вращения, выполненной в виде шарнирной петли, состоящей из двух частей, первая часть которой скреплена с верхним основанием и обеспечивает поворот на ±90°.

Третьим отличием от прототипа является то, что АФАР снабжена вертикальной осью вращения, состоящей из цилиндрической оси и трубчатой колонки, в которой на подшипниках размещена ось, а в нижнюю часть колонки встроен механический редуктор с двигателем электропривода, причем колонка снабжена крепежным фланцем для крепления АФАР на месте ее монтажа, при этом АФАР в развернутом виде имеет возможность поворота вокруг вертикальной оси на угол n·360° за счет того, что нижний конец вертикальной оси соединен через муфту с выходным валом редуктора, при этом его входной вал через муфту подсоединен к двигателю электропривода, а верхний конец вертикальной оси соединен неподвижно со второй частью горизонтальной оси.

Помимо этого, АФАР с изменяемой конфигурацией отличается тем, что усеченная пирамида выполнена в виде четырехгранной пирамиды.

Кроме того, АФАР с изменяемой конфигурацией отличается тем, что фиксаторы и крепежные элементы представлены двумя группами, одна из которых обеспечивает фиксацию и крепление АФАР в исходном свернутом состоянии, а другая в развернутом плоском состоянии, при этом фиксаторы выполнены в виде ловителей, а крепежные элементы - в виде резьбовых пар.

Кроме того, АФАР с изменяемой конфигурацией отличается тем, что оси шарнирных петель разворота боковых граней и винты резьбовых пар соединены с индивидуальными механическими редукторами со встроенными двигателями электропривода.

Изобретение представлено чертежами.

На фиг.1. - активная фазированная антенная решетка с изменяемой конфигурацией (свернутое состояние - выпуклая АФАР). Штриховыми линиями обозначено положение граней в развернутом состоянии.

На фиг.2. - активная фазированная антенная решетка с изменяемой конфигурацией (развернутое состояние - плоская АФАР).

На фиг.3. - элементарный фиксатор, выполненный в виде ловителя.

На фиг.4. - кинематическая схема привода винта элементарной резьбовой пары

где: 1 - верхнее основание реконфигурируемой АФАР;

2 - боковая грань реконфигурируемой АФАР;

3 - шарнирная петля, конструктивно совмещенная с механическим редуктором и двигателем электропривода;

4 - горизонтальная ось вращения АФАР, конструктивно совмещенная с механическим редуктором и двигателем электропривода;

5 - механический редуктор горизонтальной оси вращения АФАР;

6 - встроенный двигатель электропривода горизонтальной оси вращения АФАР;

7 - вертикальная ось вращения АФАР;

8 - трубчатая колонка;

9 - редуктор вертикальной оси вращения АФАР;

10 - двигатель привода вертикальной оси вращения АФАР;

11 - сухарь;

12 - фланец крепления АФАР;

13 - втулка фиксатора (ловителя);

14 - штырь фиксатора (ловителя);

15 - гайка;

16 - шайба;

17 - шайба пружинная;

18 - гайка;

19 - шайба;

20 - шайба пружинная;

21 - двигатель электропривода;

22 - редуктор электропривода;

23 - винт резьбовой пары;

24 - гайка резьбовой пары.

Из фигур 1 и 2 видно, что в обоих состояниях АФАР верхнее основание усеченной пирамиды ABCD-1 занимает центральное положение в конструкции АФАР.

Боковые грани 2 крепятся к верхнему основанию 1 с помощью шарнирных петель 3 (см. фиг.2), которые конструктивно совмещены с редукторами (например, планетарными), в которые встроены двигатели электропривода.

Горизонтальная ось вращения 4 также конструктивно совмещена с редуктором 5, корпус которого крепится к верхнему основанию АФАР 1, причем в этот редуктор встроен двигатель электропривода 6.

Вертикальная ось вращения ФАР 7 крепится неподвижно к сухарю 11, в котором также закреплена горизонтальная ось 4.

Таким образом, АФАР в развернутом виде может вращаться совместно с вертикальной осью 7 внутри колонки 8 под воздействием редуктора 9, приводимого в действие двигателем 10.

Аналогичную функцию выполняет относительно горизонтальной оси 4 механический редуктор 5 со встроенным двигателем 6. АФАР крепится по месту монтажа с помощью фланца 12, который закреплен на трубчатой колонке 8 (см. фиг.2).

Фиксатор выполнен в виде ловителя, состоящего из двух частей (см. фиг.3): втулки 13 и штыря 14.

Втулка 13 крепится с помощью гайки 15, шайбы 16 и шайбы пружинной 17 к одному из стыкуемых узлов АФАР, а штырь 14 крепится с помощью гайки 18, шайбы 19 и шайбы пружинной 20 к другому стыкуемому узлу. Стыковка происходит при попадании конусной части штыря 14 во втулку 13 и переходе на цилиндрические поверхности касания. Точность фиксации определяется величиной радиального зазора.

Устройство резьбовой пары (см. фиг.4) состоит из двух функциональных деталей - гайки 24 и винта 23.

Винт 23 соединен механически с выходным валом редуктора 22, входной вал которого соединен с валом двигателя электропривода 21.

Фиксаторы и резьбовые пары, функционирующие при свернутом состоянии АФАР, находятся на стыкуемых гранях (с внутренней стороны) у вершин, расположенных внизу пирамиды - E, F, P, Q (см. фиг.1). Причем втулка фиксатора 13 и гайка резьбовой пары на одной грани, а штырь фиксатора 14 и винт резьбовой пары 23 на смежной грани.

В аналогичном парном распределении они находятся возле вершин верхнего основания A, B, C, D, где они функционируют при развернутом положении АФАР.

Заявленная активная фазированная антенная решетка с изменяемой конфигурацией работает следующим образом при трех основных режимах.

1. Первый режим. Работа АФАР в свернутом (выпуклом) состоянии.

Для перевода АФАР в выпуклое состояние (из предыдущего плоского) поворачивают грани 2 (см. фиг.1) вниз до положения, обозначенного сплошными линиями. Для этого задействуют двигатели электропривода шарнирных петель 3 по четырем поворачиваемым граням 2.

После стыковки фиксаторов 13 и 14 у вершин усеченной пирамиды E, F, P, Q включают приводы винтов 23 винтовых пар, находящихся рядом с этими же вершинами E, F, P, Q, и затягивают эти винтовые пары.

После окончания затяжки винтовых пар АФАР принимает выпуклое состояние, в котором все подрешетки боковых граней и верхнего основания своими векторами нормалей направлены на пять сторон.

При работе РЛС, при независимом управлении лучами подрешеток во время сканирования, луч каждой подрешетки будет отклоняться от нормали на ±50° и все пять лучей будут охватывать пространственный угол, представляющий собой полусферу. Потенциал по каждому лучу определяется, в основном:

1) средней мощностью излучения одной подрешетки, площадью подрешетки на прием и на передачу;

2) разрешающая способность по двум углам - диаметром вписанной (в подрешетку) окружности.

2. Второй режим. Работа АФАР в развернутом виде.

Для работы во втором режиме необходимо перевести АФАР в плоское состояние в виде фигуры наподобие мальтийского креста.

Для этого выворачивают винты винтовых пар 23, 24, находящихся у вершин Е, F, P, Q, для чего на привод винтов 23 подается соответствующее напряжение, и развертывают грани 2 относительно верхнего основания 1 таким образом, чтобы они составили с ним единую плоскость, для чего на двигатели электропривода петель 3 подают соответствующее напряжение.

После того как произойдет стыковка фиксаторов возле вершин A, B, C, D верхнего основания, необходимо включить привод винтовых пар, находящихся рядом с этими точками, и затянуть их, сформировав плоскую АФАР (в форме мальтийского креста).

В этом случае потенциал АФАР(РЛС) определяется пятикратно возросшей мощностью, пятикратно увеличенной площадью АФАР (на прием и на передачу), в результате чего потенциал возрастает более чем в сто раз.

Разрешающая способность (по двум углам) возрастает более чем в три раза, т.к. определяется размером АФАР, превышающим диаметр вписанной окружности (в одну подрешетку) более чем в 3 раза.

3. Третий режим. Обзор пространства с высоким потенциалом и разрешающей способностью.

Третий режим осуществляется при наличии механического сканирования АФАР вокруг вертикальной оси 7.

Для этого включают привод вращения вертикальной оси, напряжение питания необходимо подать на двигатель привода вертикальной оси 10, который через редуктор 9 вращает ось 7 и, соответственно, АФАР. Обзор пространства при повороте вокруг вертикальной оси 7 осуществляется по азимуту за счет механического сканирования, а по углу места за счет электронного сканирования. При этом все пять подрешеток базируются совместно и работают как единая АФАР.

Третий режим обеспечивает высокий потенциал и разрешающую способность, как во втором режиме, и угол пространственного обзора, равный полусфере, как и в первом режиме.

Для выполнения заявляемого устройства могут быть использованы разрабатываемые смежниками приемно-передающие модули (ППМ), на основе которых конструируется активная фазированная решетка (АФАР).

Использование изобретения позволит в различных режимах работы РЛС увеличивать значение одних параметров, например потенциал приемно-передающей части РЛС, более чем в 100 раз. При этом дальность увеличивается более чем в 3 раза.

Угловая разрешающая способность увеличивается более чем в 3 раза.

Кроме того, увеличивается многофункциональность АФАР и РЛС на ее основе, при этом практически без затрат аппаратурных и энергетических ресурсов, а только за счет увеличения коэффициента полезного использования имеющихся ресурсов.

Заявленное изобретение может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС), системах связи и системах управления подвижными объектами на морских и речных судах, наземных подвижных объектах, летательных и космических аппаратах. Техническим результатом является увеличение функциональных возможностей активной фазированной антенной решетки (АФАР) при ее работе в различных режимах в составе РЛС путем увеличения значений одних параметров за счет не используемых других. Сущность изобретения заключается в том, что в выпуклой АФАР в виде усеченной четырехгранной пирамиды, на верхнем основании и на боковых гранях которой размещены подрешетки АФАР, верхние ребра боковых граней соединены с соответствующими ребрами верхнего основания посредством шарниров, позволяющих боковым граням разворачиваться в единую плоскость с верхним основанием. Помимо этого, АФАР имеет две оси вращения: горизонтальную (например, по углу места) и вертикальную (по азимуту). Вращая АФАР в развернутом состоянии вокруг этих осей, можно выбрать направление, по которому она работает с максимальным потенциалом и разрешающей способностью, и организовать сканирование. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Активная фазированная антенная решетка (АФАР) с изменяемой конфигурацией для приемно-передающего устройства, выполненная в виде многогранной усеченной пирамиды с верхним основанием в форме многоугольника, на котором расположена одна из подрешеток АФАР, и несколькими боковыми гранями, на которых также размещены подрешетки АФАР, причем верхние ребра боковых граней соединены с соответствующими ребрами верхнего основания, а боковые ребра боковых граней соединены с соответствующими боковыми ребрами смежных боковых граней, отличающаяся тем, что соединение верхних ребер боковых граней с соответствующими ребрами верхнего основания выполнено подвижным в виде шарнирных петель, обеспечивающих разворот боковых граней с образованием единой с верхним основанием плоскости, а закрепление формы в свернутом и развернутом состояниях обеспечивается фиксаторами и крепежными элементами, при этом верхнее основание снабжено горизонтальной осью вращения в виде шарнирной петли, состоящей из двух частей, первая часть которой скреплена с верхним основанием и обеспечивает его поворот в пределах ±90°, кроме того, верхнее основание снабжено вертикальной осью, вокруг которой АФАР в развернутом виде имеет возможность поворота на n·360°, причем эта ось состоит из цилиндрической оси и трубчатой колонки, в которой установлена эта ось, а в нижнюю часть колонки встроен механический редуктор с двигателем электропривода, а нижний конец цилиндрической оси соединен через муфту с выходным валом механического редуктора, при этом его входной вал соединен через муфту с валом двигателя электропривода, а верхний конец цилиндрической оси соединен неподвижно со второй частью шарнирной петли горизонтальной оси.2. АФАР с изменяемой конфигурацией по п.1, отличающаяся тем, что усеченная пирамида представляет собой четырехгранную усеченную пирамиду.