САМОФАЗИРУЮЩАЯСЯ СФЕРИЧЕСКАЯ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ДЛЯ СПУТНИКОВЫХ, РАДИОРЕЛЕЙНЫХ И МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ Российский патент 2007 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в качестве следящей многолучевой приемопередающей антенны в радиотехнических системах различного назначения, в частности в спутниковых, радиорелейных и мобильных системах связи.

Известны самофазирующиеся антенные решетки (СФАР) [1], содержащие антенные элементы с индивидуальными цепями гетеродинной фазовой автоподстройки с общим задающим гетеродином и общим генератором опорного сигнала.

Существенными недостатками такого построения СФАР являются высокие требования к скорости перестройки фазы гетеродинов из-за сдвига частоты в канале связи, в частности из-за доплеровского сдвига частоты, и относительно малая помехоустойчивость.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является СФАР [2], в каждом из каналов которой производится обработка сигналов, поступающих с соответствующих элементов антенной решетки. Устройства обработки, состоящие из первого смесителя, узкополосного фильтра и второго смесителя, выполняют функции фазирования сигналов. Напряжение с сумматора является выходным напряжением антенной решетки, которое в то же время подается на первый смеситель всех устройств обработки. Результат действия первого смесителя и следующего за ним узкополосного фильтра эквивалентен получению взаимно корреляционной функции с выходным напряжением. Это напряжение является комплексной весовой функцией решетки. Дальнейшее перемножение этого напряжения с входным сигналом, принимаемым антенным элементом, во втором смесителе обеспечивает компенсацию сдвига по фазе для каждого антенного элемента, что обеспечивает возможность когерентного сложения всех каналов в сумматоре.

СФАР [2] обладает многими преимуществами по сравнению с СФАР [1]. Во-первых, СФАР [2] не чувствительна к сдвигу частоты в канале связи, так как в первом смесителе происходит перемножение принятого антенным элементом информационного сигнала на тот же сигнал, но просуммированный по всем каналам. Во-вторых, не требуется наличия пилот-сигнала или остатка несущей частоты в информационном канале, необходимых для обеспечения слежения за частотой и фазой принимаемого сигнала посредством автоматических частотно-регулируемых цепей.

Существенным недостатком рассмотренных СФАР является трудность разводки высокочастотного опорного сигнала по всей решетке с сохранением синфазности каждого канала. Кроме того, решетки [1] и [2] не обеспечивают автоматического формирования диаграммы направленности на передачу.

Заявленное изобретение направлено на создание СФАР, в которой устранены указанные недостатки.

Это достигается за счет того, что в известной самофазирующейся антенной решетке на поверхности антенного полотна расположены N основных антенных элементов, имеется N модулей и общее суммирующее устройство, выход которого является выходом антенной решетки. Каждый n-й основной антенный элемент соединен с входом n-го модуля. Каждый модуль состоит из последовательного соединения первого смесителя, узкополосного фильтра и второго смесителя. В модуле вход первого смесителя соединен со вторым входом второго смесителя, а выходы всех вторых смесителей модулей соединены с входами суммирующего устройства, выход которого к тому же соединен со вторым входом всех N первых смесителей модулей.

В предлагаемой самофазирующейся антенной решетке антенное полотно выполнено в виде полой сферы или ее части, на внутренней поверхности которой дополнительно расположено N вспомогательных антенных элементов. Противоположно установленные основные антенные элементы и вспомогательные антенные элементы соединены между собой через модули, в состав которых дополнительно введены циркулятор модуля и перемножитель модуля. Одно плечо циркулятора модуля соединено с вспомогательным антенным элементом, а два других с выходом второго смесителя и входом перемножителя модуля соответственно. При этом выход перемножителя модуля соединен с вторым входом первого смесителя. Общее суммирующее устройство имеет расположенный в центре сферы облучатель, создающий сферический фазовый фронт и обеспечивающий синфазное возбуждение всех вспомогательных антенных элементов, что создает как возможность суммирования сигналов от всех вспомогательных антенных элементов, так и возможность синфазного распределения сигналов по всем вспомогательным антенным элементам. Кроме того, общее суммирующее устройство имеет циркулятор, перемножитель и генератор. Облучатель через одно из плеч циркулятора суммирующего устройства соединен с входом перемножителя, ко второму входу которого подключен выход генератора, который одновременно подключен ко второму входу всех N перемножителей модулей. Плечо циркулятора, которое соединено со входом перемножителя, является выходом антенной решетки.

Для одновременного обеспечения возможности передачи в направлении прихода сигналов в каждый из N модулей антенной решетки дополнительно введены: дуплексер приема-передачи, смеситель тракта передачи, управляемый аттенюатор, датчик уровня принимаемого сигнала и разделительный фильтр. Дуплексер приема-передачи установлен между основным антенным элементом, первым смесителем и выходом управляемого аттенюатора. Вход управляемого аттенюатора соединен с выходом смесителя тракта передачи. Управляющий вход аттенюатора соединен с выходом датчика уровня принимаемого сигнала, вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра. Выход узкополосного фильтра также соединен с первым входом смесителя тракта передачи, второй же вход смесителя тракта передачи соединен с одним из выходов разделительного фильтра, а второй выход разделительного фильтра соединен с входом перемножителя модуля. Вход разделительного фильтра соединен с одним из плеч циркулятора модуля.

В общее суммирующее устройство дополнительно введен сумматор сигналов, один из входов которого является входом для сигналов передачи, а второй вход соединен с выходом перемножителя суммирующего устройства. Выход сумматора соединен с одним из плеч циркулятора суммирующего устройства, а через него с облучателем.

Блок-схема самофазирующейся антенной решетки, обеспечивающей работу во всей сфере углов, приведена на фиг.1.

Блок-схема самофазирующейся антенной решетки, обеспечивающей работу в секторе углов, приведена на фиг.2.

Блок-схема самофазирующейся антенной решетки, обеспечивающей работу в горизонтальной плоскости, приведена на фиг.3.

Схема построения самофазирующейся приемной антенной решетки приведена на фиг.4.

Схема построения самофазирующейся приемопередающей антенной решетки приведена на фиг.5.

Схема самофазирующейся приемопередающей антенной решетки с построением приемного и передающего трактов с переносом на нулевую промежуточную частоту приведена на фиг.6.

На фиг.7 приведены спектры сигналов в различных точках предлагаемой СФАР.

Предлагаемая СФАР состоит из антенного полотна, выполненного в виде полой сферы (фиг.1). На наружной поверхности 1 сферы расположены основные антенные элементы 2, а на внутренней поверхности 3 сферы вспомогательные антенные элементы 4. Противоположно расположенные основные и вспомогательные антенные элементы соединены между собой через модули 5.

В центре сферы расположен облучатель 6, создающий сферический фазовый фронт и синфазно возбуждающий вспомогательные антенные элементы 4, расположенные на внутренней поверхности 3 сферы. Облучатель 6 соединен с общим суммирующим устройством 7.

На фиг.2 показана блок-схема самофазирующейся антенной решетки, обеспечивающая работу в ограниченном секторе углов, которая может быть использована, к примеру, как приемопередающая антенная система стационарной земной станции для одновременной работы через нескольких ИСЗ на геостационарной орбите.

Самофазирующаяся антенная решетка, блок-схема которой приведена на фиг.3, обеспечивает круговую работу в горизонтальной плоскости и может быть использована, к примеру, как приемопередающая антенная система радиорелейных станций или базовых станций мобильной связи, обеспечивая одновременную связь с несколькими корреспондентами.

Как видно из схемы построения приемной СФАР (фиг.4), основной антенный элемент 2 в модуле 5 соединен с входом первого смесителя 8, выход которого через узкополосный фильтр 9 соединен с входом второго смесителя 10, выход которого через циркулятор 11 соединен с вспомогательным антенным элементом 4. Одно из плеч циркулятора 11 соединено последовательно через перемножитель 12 модуля 5 с вторым входом первого смесителя 8.

Общее суммирующее устройство 7 имеет циркулятор 13, одно из плеч которого соединено с облучателем 6, а два других соединены между собой через последовательно соединенный перемножитель 14, к второму входу которого подсоединен выход генератора 15. Выход генератора 15 подсоединен также к второму входу всех перемножителей 12 модулей 5. Выход перемножителя 14 через циркулятор 13 соединен с облучателем 6. Выходом антенной решетки для принимаемых сигналов является точка соединения входа перемножителя 14 с циркулятором 13.

Для одновременного обеспечения возможности передачи в направлении принимаемых сигналов (см. фиг.5) в каждый из модулей 5 антенной решетки дополнительно введены: дуплексер приема-передачи 16, смеситель тракта передачи 17, управляемый аттенюатор 18, датчик уровня принимаемого сигнала 19 и разделительный фильтр 20. Дуплексер приема-передачи 16 установлен между основным антенным элементом 2, входом первого смесителя 8 модуля 5 и выходом управляемого аттенюатора 18. При этом вход управляемого аттенюатора 18 соединен с выходом смесителя тракта передачи 17. Управляющий вход аттенюатора 18 соединен с выходом датчика уровня принимаемого сигнала 19, вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра 9 модуля 5. Выход узкополосного фильтра 9 также соединен с первым входом смесителя тракта передачи 17, второй же вход смесителя тракта передачи 17 соединен с одним из выходов разделительного фильтра 20, а второй выход разделительного фильтра 20 соединен с входом перемножителя 12 модуля 5. Вход разделительного фильтра 20 соединен с одним из плеч циркулятора 11 модуля 5. Дополнительно в общее суммирующее устройство введен сумматор сигналов 21, один из входов которого является входом для сигналов передачи, а второй вход соединен с выходом перемножителя 14 общего суммирующего устройства 7. Выход сумматора 21 соединен с одним из плеч циркулятора 13 общего суммирующего устройства 7, а через него с облучателем 6.

Наиболее целесообразно модуль 5 строить по схеме с использованием нулевой промежуточной частоты. Блок-схема такого построения СФАР приведена на фиг.6. Такое построение модуля 5 позволяет создать антенную решетку с минимальными массогабаритными характеристиками. В этом случае смесители 8, 10 и 17 модуля 5 строятся с использованием расщепителей фаз 22 и перемножителей 23 для создания основного и квадратурного каналов. Выбор верхней или нижненей боковой полосы обеспечивается соответствующим включением расщепителей фаз. Однако это является частным методом построения модулей в СФАР. Возможно использование промежуточной частоты, отличной от нулевой, однако в этом случае потребуется использование радиочастотных фильтров подавления зеркального канала (на схемах фиг.4 и фиг.5 условно не показаны), что может увеличить габариты модуля 5.

Предлагаемая СФАР в режиме приема (см. фиг.4) работает следующим образом.

Сигнал, принятый n-м основным антенным элементом 2, поступает на вход первого смесителя 8 n-го модуля 5, на второй вход которого подается принятый сигнал, просуммированный по всей антенной решетке.

Принимая значение фазы принятого СФАР сигнала, просуммированного по всем основным антенным элементам, ϕ₀=0°, а принятого n-м основным антенным элементом равной +ϕ_n, тогда фаза разностной частоты выделенная узкополосным фильтром 9 будет равна -ϕ_n.. Перемножая разностную частоту с частотой принятого n-м основным антенным элементом сигнала и выделяя после перемножения верхнюю боковую полосу в смесителе 10, получаем восстановленный принятый n-м основным антенным элементом сигнал, но с фазой, равной (-ϕ_n)+(+ϕ_n)=ϕ₀, такое значение фазы получаем на выходе второго смесителя 10 каждого модуля 5. Далее сигнал через циркулятор 11 подводится к расположенному на внутренней поверхности сферы вспомогательному антенному элементу 4. Так как сигналы, излучаемые вспомогательными антенными элементами 4, имеют одну и ту же фазу и вспомогательные антенные элементы 4 равно удалены от облучателя 6, обладающего сферическим фазовым фронтом, то все они когерентно суммируются на выходе облучателя 6.

Выходом СФАР является просуммированный в облучателе 6 принятый сигнал, прошедший через циркулятор 13. Этот же сигнал возвращается во все приемопередающие модули 5 по цепи: перемножитель 14, циркулятор 13, облучатель 6 и вспомогательные антенные элементы 4.

Так как излучаемый и принимаемый облучателем 6 общий сигнал приема имеет ту же частоту, спектр и форму, то при этих условиях на участках: "облучатель 6 - вспомогательные антенные элементы 4" возникает стоячая волна, которая препятствует передаче энергии. Чтобы избежать этого явления, в общее суммирующее устройство 7 и модули 5 введены перемножители 14 и 12 соответственно, и в общее суммирующее устройство 7 - генератор 15. Перемножитель 14 совместно с генератором 15 служит для декорреляции сигналов, а перемножитель 12 совместно с генератором 15 для восстановления сигнала в модулях 5. Наиболее просто, по мнению автора, декорреляция сигналов может быть осуществлена, к примеру, путем фазовой модуляции меандром, формируемым генератором 15 с частотой, большей, чем ширина спектра сигнала. Спектры сигналов и их фазы в различных точках СФАР показаны на фиг.5.

Осуществление передачи сигналов в направлении прихода сигналов, т.е. формирование диаграммы на передачу происходит следующим образом.

Сигнал передачи через сумматор 16 общего суммирующего устройства 7 и циркулятор 13 излучается облучателем 6 и принимается с равными фазами вспомогательными элементами 4. Таким образом, на вход смесителей предающего тракта 17 всех модулей 5 сигналы передачи приходят с равными фазами, которые могут быть приняты за нулевые. Выделяя на выходе смесителя 17 передающего тракта верхнюю боковую полосу и учитывая, что фаза разностной частоты на выходе узкополосного фильтра равна -ϕ_n, тогда фаза на выходе смесителя n-го модуля 5 принимает значение -ϕ_n. Далее сигнал передачи в каждом модуле 5 через аттенюатор 18 и дуплексер 16 поступает для излучения в основной антенный элемент 2, расположенный на наружной поверхности сферы. Аттенюатор 18 управляется напряжением, получаемым с выхода фильтра 16, которое с выхода датчика уровня принимаемого сигнала 19 подается на управляющий вход аттенюатора 17. Выбрано так, что, чем больше уровень принимаемого сигнала, тем меньше затухание аттенюатора 17, и наоборот. Если конкретный n-й модуль 5 не принимает сигнал, то этот модуль и не излучает.

Для обеспечения излучения сигнала в том же направлении, откуда пришел принимаемый СФАР сигнал, должен удовлетворяться принцип сопряженности фаз приема и передачи. В точке расположения каждого основного антенного элемента 2 уходящая волна должна запаздывать по фазе ровно на величину фазового опережения, наблюдаемого в падающей волне в той же точке и, наоборот, в случае опережения - запаздывать. Этот принцип удовлетворяется в предлагаемой СФАР (для каждого основного антенного элемента фаза на прием равна +ϕ_n, а на передачу -ϕ_n).

Так как в системах связи обычно частоты приема и передачи имеют разные значения, то для сигналов передачи возникнут дополнительные потери из за фазовых ошибок, обусловленные разностью частот приема и передачи. Однако для сферических антенных решеток эти потери имеют меньшие величины, чем для плоских антенных решетках. При этом не происходит изменение направления луча, а только его некоторое расширение.

Предлагаемая СФАР обеспечивает одновременную работу с несколькими корреспондентами. Когда несколько источников облучают решетку одновременно, каждый элемент будет определять фазу суммарного сигнала принимаемых сигналов по отношению к опорному сигналу. В нашем случае опорный сигнал есть сумма всех принимаемых сигналов. Антенная решетка будет формировать столько приемных и передающих лучей, сколько источников будут облучать решетку одновременно.

Проведем оценку энергетических характеристик предлагаемой СФАР.

Предположим число антенных элементов равно N=100. Каждый основной антенный элемент имеет усиление G_n=3 дБ. В работе с источником сигнала в сферической решетке принимает участие не более 50% основных элементов. Тогда коэффициент усиления решетки в направлении на этот источник равен:

G=10 lg N+G_n-10 lg 0,5=20 дБ.

Предположим, что полоса частот принимаемого сигнала равна f_c=10 МГц и необходимое отношение мощности сигнал к мощности шума на выходе антенной решетки (Рс/Р_ш)_вых=10 дБ, тогда отношение сигнал/шум на входе n-го модуля равно:

(Рс/Рш)_вх=(Рс/Р_ш)_вых-G=10-20=-10 дБ.

Полоса пропускания узкополосного фильтра 9 выбирается из условия обеспечения слежения за фазой сигнала, обусловленной угловым перемещением источника сигнала или объекта, на котором установлена антенная решетка. При неподвижном источнике и неподвижной антенной решетке на выходе фильтра 16 получаем постоянное напряжение и полоса фильтра в этом случае может не превышать долей Гц.

В случае работы антенной решетки в режиме слежения за ИСЗ на средневысотной орбите полосу фильтра 9 можно оценить из отношения:

dα/dt=λ/2πD_а·dΔϕ_ф/dt,

где dα/dt - скорость углового перемещения ИСЗ, для средневысотного ИСЗ не превышает 0,1°/с,

λ - длина волны (положим λ=15 см, f=2 ГГц),

D_a - диаметр антенной решетки (положим D_a=1,5 м), тогда скорость изменения фазы для крайних элементов решетки

dΔϕ_ф/dt=dα/dt·(2πD_a/λ)=0.1(6.28·150/15)=6,28°/с

и ширина спектра напряжения от изменения фазы не превышает ΔF_ф=1 Гц. Отношение сигнал/шум на выходе фильтра 9 при условии, что отношение сигнал/шум опорного напряжения (Рс/Р_ш)_вых>0, можно оценить как

(Р_С/Р_Ш)_Ф=(Р_С/Р_Ш)_ВХ·Δf_c/ΔF_Ф=-10+10lg(10·10⁶/1)=+60 дБ.

Такое значение отношения сигнал/шум на выходе фильтра 9 обеспечивает практически без потерь формирование диаграммы направленности антенной решетки на передачу и отсутствие дополнительных фазовых шумов в принимаемом сигнале.

Оценим энергетические характеристики СФАР при работе с широкобазовыми сигналами.

Примем базу сигнала, равную В=1000, а общую полосу частот - равной Δf=500 МГц. При таких исходных данных полоса информационного канала равна Δf_c=Δf/B=0,5 МГц. Предполагаем отношение сигнал/шум в полосе информационного канала равным +10 дБ, тогда отношение сигнал/шум на выходе антенной решетки в полосе 500 МГц равно:

(Рс/Р_ш)_вых=10-10lgB=10-30=-20 дБ.

Отношение сигнал/шум на входе n-го модуля равно:

(Рс/Р_ш)_вх=(Р_с/Р_ш)_вых-G=-20-20=-40 дБ,

а отношение сигнал/шум на выходе узкополосного фильтра 9 при условии, что отношение сигнал/шум опорного напряжения (Рс/Р_ш)_опор=(Рс/Р_ш)_вых<0, можно оценить как: (Рс/Р_ш)_ф=(Рс/Р_щ)_вх·(Рс/Рш)_опор·f_c/F_ф=-40-20+10lg(500-10⁶/1)=+27 дБ.

Сугубо ориентировочные расчеты показывают работоспособность предложенной СФАР для многих практических приложений.

Источники информации.

1. "Сканирующие антенные системы СВЧ"; перевод с английского; под редакцией Г.Т. Маркова и А.Ф. Чаплина, т.III, M.: Сов. радио, 1971, стр.418-423.

2. Цзяо, Сиз, Бикфорд, Роуланд. Анализ устройства обработки сигналов в адаптивной антенной решетке. "Зарубежная радиоэлектроника", №12, 1970, стр.3-13.

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в качестве следящей многолучевой приемопередающей антенны в радиотехнических системах различного назначения, в частности в спутниковых, радиорелейных и мобильных системах связи. Технический результат - улучшение разводки высокочастотного опорного сигнала по всей решетке с сохранением синфазности каждого канала и обеспечение автоматического формирования диаграммы направленности на передачу. Для этого самофазирующаяся антенная решетка (СФАР) представляет собою полую сферу, на наружной поверхности которой расположены основные антенные элементы, а на внутренней поверхности вспомогательные антенные элементы. Противоположно расположенные антенные элементы на наружной и внутренней поверхностях сферы соединены между собой через приемопередающие модули. В центре сферы расположен облучатель, обеспечивающий синфазное возбуждение антенных элементов, расположенных на внутренней поверхности сферы и обеспечивающий распределение сигналов по решетке. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Самофазирующаяся сферическая приемопередающая антенная решетка для спутниковых, радиорелейных и мобильных систем связи с расположенными на поверхности антенного полотна N основными антенными элементами, имеющая N модулей и общее суммирующее устройство, выход которого является выходом антенной решетки, причем каждый n-ый из N основной антенный элемент соединен с входом соответствующего n-ого модуля из всех N модулей, каждый из которых состоит из последовательного соединения первого смесителя, являющегося входом модуля, узкополосного фильтра и второго смесителя, причем вход первого смесителя соединен также с вторым входом второго смесителя, а выходы всех вторых смесителей модулей соединены с суммирующим устройством, выход которого к тому же соединен с вторым входом всех N первых смесителей модулей, отличающаяся тем, что полотно антенной решетки выполнено в виде полой сферы или ее части, на внутренней поверхности которой дополнительно расположено N вспомогательных антенных элементов, при этом противоположно установленные основные антенные элементы и вспомогательные антенные элементы соединены между собой через модули, в состав которых дополнительно введены циркулятор модуля и перемножитель модуля, причем одно плечо циркулятора модуля соединено с вспомогательным антенным элементом, а два других с выходом второго смесителя и входом перемножителя модуля соответственно, при этом выход перемножителя модуля соединен с вторым входом первого смесителя; общее суммирующее устройство имеет расположенный в центре сферы облучатель, имеющий возможность синфазного возбуждения всех вспомогательных антенных элементов и обеспечивающий возможность суммирования сигнала от всех вспомогательных антенных элементов, циркулятор, перемножитель и генератор, при этом облучатель через одно из плеч циркулятора суммирующего устройства соединен с входом перемножителя, к второму входу которого подключен выход генератора, который одновременно подключен к второму входу всех N перемножителей модулей, а плечо циркулятора, которое соединено со входом перемножителя, является выходом антенной решетки.2. Самофазирующаяся антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что, с целью одновременного обеспечения возможности передачи в направлении прихода сигналов, в каждый из N модулей антенной решетки дополнительно введены дуплексер приема-передачи, смеситель тракта передачи, управляемый аттенюатор, датчик уровня принимаемого сигнала и разделительный фильтр, причем дуплексер приема-передачи установлен между основным антенным элементом, первым смесителем и выходом управляемого аттенюатора, при этом вход управляемого аттенюатора соединен с выходом смесителя тракта передачи, а управляющий вход аттенюатора с выходом датчика уровня принимаемого сигнала, вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, при этом выход узкополосного фильтра также соединен с первым входом смесителя тракта передачи, второй же вход смесителя тракта передачи соединен с одним из выходов разделительного фильтра, а второй выход разделительного фильтра соединен с входом перемножителя модуля, а вход разделительного фильтра соединен с одним из плеч циркулятора модуля; в общее суммирующее устройство дополнительно введен сумматор сигналов, один из входов которого является входом для сигналов передачи, а второй вход соединен с выходом перемножителя суммирующего устройства, выход же сумматора соединен с одним из плеч циркулятора суммирующего устройства.