МНОГОЛУЧЕВАЯ АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2007 года по МПК H01Q3/26 

Предлагаемое изобретение относится к антенным системам направленного излучения и приема - многолучевым активным фазированным антенным решеткам (АФАР).

Наиболее эффективно изобретение может быть использовано в бортовых авиационных РЛС, системах радиопротиводействия (РПД), системах связи с подвижными и неподвижными объектами на земле, в море и воздухе или радиомаяках.

В бортовых авиационных радиолокационных станциях (РЛС) многолучевая АФАР по сравнению с однолучевой позволяет:

- одновременно работать в режимах «воздух-поверхность» (при синтезировании апертуры, при обнаружении и сопровождении морских и наземных целей, при постановке активных помех наземным и корабельным РЛС) и «воздух-воздух» (при обнаружении ракет и самолетов, наведении оружия на воздушные цели, при постановке помех самолетным РЛС и головкам самонаведения ракет;

- в N раз (N - количество лучей, используемых в многолучевой АФАР) быстрее осматривать назначенную зону ответственности.

В системах РПД или радиосвязи многолучевая АФАР позволяет увеличить количество одновременно подавляемых радиосредств или увеличить число абонентов радиосвязи.

Многолучевые АФАР известны. На фиг.1 представлена блок-схема двухлучевой АФАР по патенту США №4638317 1987 г., являющейся аналогом предлагаемой АФАР, где 1 - излучатели, соединенные с приемо-передающими модулями (ППМ) 2, выходы которых соединены с входами сумматоров (в режиме приема сигналов) или делителей (в режиме передачи сигналов) 3, выходы которых соединены со входами сумматора 4, выполненного в виде направленного ответвителя, где каждый входной сигнал (А и В) делится на две равные части, которые, складываясь, на выходе образуют два суммарных сигнала вида т.е. два одинаковых по величине сигнала, но каждый из них в два раза меньше, чем выходной сигнал однолучевой АФАР, равный (А+В). Это означает, что коэффициент усиления двухлучевой АФАР-аналога в два раза меньше, чем в однолучевой, т.е. эффективность (коэффициент усиления) каждого луча двухлучевой АФАР будет в 2 раза меньше, чем эффективность (коэффициент усиления) однолучевой АФАР, и мощность излучения в каждом луче в этом аналоге в два раза меньше (Справочник по радиолокации под ред. М.Сколника, Сов. Радио, 1977 г., т.2, стр.201), что приводит к потере дальности действия радиосвязи, радиомаяка или системы радиопротиводействия на 40%, а РЛС - на 20%. При N-лучей уменьшение составит соответственно и (для РЛС) («Радиолокационные системы», Д.Бартон, Воениздат, М., 1967 г., стр. 137; Справочник по радиолокации под ред. М.Сколника, Сов. радио, 1977 г., т.1, стр.29).

Так как уменьшение дальности действия упомянутых выше радиотехнических систем недопустимо, то это обстоятельство является существенным недостатком аналога.

Другим аналогом является 4-лучевая ФАР по патенту США №4989011, Н.А.Rosen et al. от 29.01.91 г., обладающая тем же недостатком, что и ранее указанная ФАР по патенту США №4638317 1987 г. - уменьшением коэффициента усиления каждого луча в 4 раза относительно однолучевой ФАР и, соответственно, уменьшением дальности действия радиосвязи, радиомаяка и радиопротиводействия - в 2 раза, радиолокатора - в раза.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является 3-лучевая АФАР, блок-схема которой представлена на фиг.2 в Справочнике по радиолокации под ред. М.Сколника, Сов. Радио, 1977 г., т.2, стр.188, 189, 190.

Устройство-прототип содержит:

1 - частные решетки (подрешетки) АФАР, количество которых равно количеству лучей, например трем. Подрешетки состоят из нескольких приемо-передающих модулей (ППМ), каждый из которых содержит излучатель, усилители, управляемый фазовращатель («Активные фазированные решетки» под ред. Д.И.Воскресенского и А.И.Канащенкова, изд. «Радиотехника №, М. 2004 г., стр.19, рис.1.3).

2 - группу сумматоров-делителей (первая группа), число которых равно числу подрешеток.

3 - группы неуправляемых фазовращателей, используемых для фиксированного разделения лучей, причем количество фазовращателей в группе равно числу лучей.

4 - группу сумматоров-делителей (вторая группа), количество которых равно числу подрешеток.

Сумматоры (4) в режиме приема, когерентно суммируя сигналы соответствующих подрешеток, формируют на трех выходах - Вых.1, Вых.2, Вых.3 - соответственно лучи №1, №2, №3, неподвижные относительно друг друга, так как фазовращатели 3 - неуправляемые.

Управляемые фазовращатели ППМ (внутримодульные) с помощью сигнала управления позволяют менять положение 3-х лучей (3-х диаграмм направленности) в пространстве одновременно на один и тот же угол.

Режим передачи в прототипе осуществляется с помощью мостового соединения. Схема подключения передатчика представлена на фиг.2а. Сигнал передатчика 7 через делитель 6 и четырехплечие мосты 5 (X-циркуляторы), сумматоры-делители второй группы - 4, фазовращатели неуправляемые - 3, сумматоры-делители первой группы - 2 и ППМ - 1 (фиг.2) излучается в пространство лучами, неподвижными относительно друг друга.

Таким образом, излучаемая активной ФАР мощность делится по всем 3 лучам равномерно, так что в каждом луче эта мощность в 3 раза меньше, чем в однолучевой АФАР - Справочник по радиолокации под ред. М.Сколника, т.2, стр.201. Все три луча меняют свое положение в пространстве одинаково и не могут сканировать независимо друг от друга, поскольку управляющие фазовращатели установлены только в ППМ, а фазовращатели 3 - неуправляемые.

Это означает, что устройство-прототип не может измерять одновременно координаты двух или N целей, например воздушной и морской или нескольких воздушных и морских целей, которые располагаются в разных точках пространства и передвигаются независимо. Еще одним недостатком прототипа является невозможность измерения угловых координат цели в одном из лучей при наличии сигнала, отраженного от мешающей цели с большой эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР), облученной другим лучом, поскольку после сумматора-делителя 2 часть (1/N) сигнала мешающей цели попадает в канал луча, которым измеряются координаты цели с малой ЭПР, например танк с ЭПР=10 м², а мешающей целью является железнодорожный мост с ЭПР=100000 м², находящийся в направлении, не совпадающим с танком.

Задачей изобретения является устранение упомянутых выше недостатков, а именно обеспечение

- уровня излучения сигнала в каждом из N лучей равным уровню излучаемого сигнала в однолучевой АФАР;

- независимого управления каждым из N лучей;

- подавления мешающих сигналов, поступающих в приемный канал каждого луча, но принятых от целей с других направлений, т.е. другими лучами.

Поставленная цель достигается тем, что в N-лучевой АФАР формируют лучи на отличающихся N рабочих частотах с помощью вновь введенных управляемых внемодульных фазовращателей и N вновь введенных частотных фильтров, разделяющих сигналы отдельных лучей как в режиме приема, так и в режиме передача.

На фиг.1 представлена блок-схема аналога - 2-лучевая АФАР;

На фиг.2 - блок-схема прототипа - приемо-передающая 3-лучевая АФАР;

На фиг.2а - схема подключения задающего генератора в АФАР;

На фиг.3 - блок-схема предлагаемой многолучевой АФАР;

На фиг.4 - временная диаграмма работы предлагаемой АФАР на передачу и прием (для случая двух лучей);

На фиг.5 - вариант расположения целей (полезной - танк и мешающий - ж/д мост) относительно диаграммы направленности 2-х лучей АФАР.

N-лучевая активная фазированная антенная решетка (фиг.3) содержит: 1 - ППМ с излучателями, управляемыми фазовращателями; малошумящими усилителями, работающими в режиме приема усилителями мощности, работающими в режиме передачи; переключателями «прием-передача», направляющими сигнал задающего генераторов на вход усилителя мощности и далее на излучатель, принятые сигналы из эфира - с излучателя - на вход малошумящего усилителя, а усиленный принятый сигнал - в приемный канал.

Схема ППМ подробно описана в научно-технической литературе («Активные фазированные антенные решетки» под ред. Воскресенского Д.И., Канащенкова А.И., Сов. Радио, 2004 г., стр.19). ППМ объединены в частные решетки или подрешетки (Справочник по радиолокации под ред. Сколника М., т.2, 1977 г., стр.190).

Выход каждой из подрешеток ППМ - 1 соединен с СВЧ сумматором/делителем первой группы - 2 с помощью СВЧ-тракта, выполненного в виде волновода, полосковой линии или волоконно-оптической линии.

СВЧ сумматор/делитель - 2 может быть выполнен аналогично сумматору/делителю прототипа.

Выходы СВЧ сумматоров/делителей - 2 первой группы соединены с входами соответствующих сумматоров/делителей 4 (второй группы) через дополнительно введенные управляемые внемодульные фазовращатели 3. Выход каждого сумматора/делителя второй группы 4 соединен с соответствующим входом дополнительно введенных фильтров 5. Выход каждого из фильтров 5 соединен с первым входом соответствующего переключателя «прием-передача» 6, а вторые входы этих переключателей подключены к соответствующим выходам многочастного (N-частотного) задающего генератора (3Г) 7, причем частота сигнала на каждом выходе 3Г 7 установлена равной рабочей частоте соответствующего фильтра 5, подключенного через свой переключатель «прием-передача» 6 к этому выходу 3Г 7. Выход каждого переключателя 6 подключен к входу приемника рабочей частоты соответствующего луча.

В предлагаемой N-лучевой АФАР, схема которой представлена на фиг.3, увеличение излучаемой каждым лучом мощности до уровня излучения однолучевой АФАР осуществляется за счет излучения полной мощности всех ППМ во время зондирующего импульса в одном из лучей (см. фиг.4) на соответствующей частоте.

Независимое управление и фокусирование каждого луча осуществляется с помощью дополнительно введенных внемодульных управляемых фазовращателей - 3.

Многолучевая АФАР работает следующим образом.

В режиме передачи задающий генератор 3Г 7, вырабатывающий СВЧ-сигналы N-частот, каждая из которых предназначена для формирования одного луча, с помощью переключателя «прием-передача» 6 подключается одним из выходов к соответствующему i-му фильтру 5, частота которого (F_i) соответствует частоте, на которой сформирован один из - лучей (1...N) АФАР.

С выхода i-го фильтра 5 сигнала с частотой F, поступает на соответствующий СВЧ сумматор/делитель (второй группы) 4, с помощью которого мощность сигнала распределяется на входы СВЧ сумматора/делителей (первой группы) 2 через внемодульные управляемые фазовращатели 3, используемые для одновременного управления сразу всеми лучами (при необходимости).

С помощью управляемых внемодульных фазовращателей в соответствии с цифровыми сигналами управления - 4- или 5-разрядными словами транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) уровня U(Θ^o _N) устанавливается направление каждого луча. Количество входов каждого СВЧ сумматора/делителя 2 равно числу формируемых лучей.

С выходом всех СВЧ сумматоров/делителей 2 сигналы на частоте F_i поступают на входы ППМ 1 в течение длительности излучаемого импульса τ_i (см. фиг.4 - Временная диаграмма работы 2-х лучевой АФАР в координатах F_c - частота сигнала, t - время), а принимаются в течение t_пр.i (например, сигнал первого луча с частотой F₁ с сумматора/делителя ∑₁ второй группы 4 поступает на входы ППМ-1 в течение длительности излучаемого сигнала τ₁. В ППМ сигналы усиливаются, и вся мощность (без потерь на деление по лучам) излучается в пространство в направлении только первого луча, которое определено внутримодульными фазовращателями.

Следующий импульс, например, длительности τ₂ частотой F₂ поступает с задающего генератора 7 через второй переключатель 6, второй фильтр 5 на вход второго сумматора/делителя 4 через интервал времени ΔT+τ₁·Q (фиг.4), где Q - скважность сигнала τ₁ - длительность предыдущего импульса на частоте F₁.

Второй сумматор/делитель 4 распределяет сигнал на частоте F₂ по входам управляемых внемодульных фазовращателей 3 (устанавливающих фазовое распределение на входах ППМ для луча).

После управляемых фазовращателей 3 сигналы поступают на входы сумматоров/делителей 2, в которых объединяются и подаются на вход каждого ППМ 1.

С выходом каждого ППМ 1 через излучатель сигнал излучается. При этом направление излучения (луч №2) определено внемодульными управляемыми фазовращателями 3. Таким образом все лучи фокусируются в заданном направлении с помощью внутримодульных управляемых фазовращателей, а каждый из лучей 1...N (независимо) - с помощью внемодульных управляемых фазовращателей 3.

В режиме приема многолучевая АФАР работает следующим образом. Эхо-сигналы на излучаемых частотах F₁ и F_2(N) отражаются от целей и других объектов и принимаются излучателями всего раскрыва АФАР, далее поступают в ППМ_i 1 (фиг.3), где усиливаются, получают фазовые сдвиги на управляемых внутримодульных фазовращателях, поступают на входы сумматоров/делителей 2. После СВЧ сумматоров/делителей 2 сигналы поступают на входы сумматоров/делителей 4 через управляемые внемодульные фазовращатели 3. Сигналы на частотах F₁...F_n (лучи 1...N) будут фазированы с помощью соответствующих внемодульных фазовращателей 3 на входах сумматоров/делителей 4: сигналы на частоте F₁ (луч 1) - ∑₁; на частоте F_N (луч N) - ∑_N. При этом сигналы всех лучей (1...N) будут приниматься практически в один и тот же временной интервал O...t_пpN (фиг.4), но на разных частотах. На входе каждого сумматора/делителя ∑_i 4 будут присутствовать (при наличии отражающих объектов в направлении всех лучей) сигналы всех (1...N) частот, но только сигналы одной частоты (одного луча) будут сфазированы на входе каждого сумматора/делителя 4, соответствующего этой частоте.

Сигналы с выхода каждого сумматора/делителя ∑_i 4 (фазированные и несфазированные) поступают на вход соответствующего частотного фильтра 5, в котором несфазированные сигналы, т.е. сигналы, частота которых не соответствует рабочей частоте данного фильтра (сигналы других лучей), подавляются, так как полоса пропускания фильтра выбирается более узкой, чем минимальная разность частот сигналов, генерируемых задающим генератором.

Сигналы с частотой, соответствующей частоте данного фильтра, проходят на его выход без затухания и поступают на вход приемного устройства данного луча через переключатель «прием-передача» 6. Например, сигналы луча 3 с частотой F₃ через третий переключатель поступают на вход приемника, подключенного к выходу этого переключателя. Таким образом, на выходе каждого введенного фильтра 5 формируется соответствующий независимо управляемый луч, частота сигналов которого F_i равна рабочей частоте i-го фильтра 5. Сигналы других частот будут подавлены. При этом ошибки измерения угловых координат будут отсутствовать, т.к. мешающие сигналы других направлений (лучей) будут подавлены вновь введенными фильтрами на величину, равную квадрату уровня бокового лепестка (УБЛ) измеряющего луча.

На фиг.5 показано угловое направление , с которого принимается эхо-сигнал от мешающего объекта Ц₂, облучаемого сигналом с частотой F₂ (главным лепестком луча 2) и сигналом с частотой F₁ (боковым лепестком с УБЛ=-30 дБ) луча 1.

На выходе первого фильтра 5 (фиг.3) сигнал с частотой F₂ будет подавлен, а принятый боковым лепестком (УБЛ=-30 дБ) луча 1 сигнал с частотой F₁, пройдет через переключатель 6 в приемник луча 1, но будет ослаблен на 60 дБ (10⁶ раз -30 дБ - УБЛ облучения и - 30 дБ - УБЛ приема). Это означает, что ошибка измерения угловой координаты цели Ц₁ из-за мешающей Ц₂ будет практически отсутствовать, т.е. ее величина не превысит 0,0001% от углового расстояния между Ц₁ и Ц₂ - (, фиг.5).

Из этого следует, что предлагаемое техническое решение обеспечивает достижение технического результата:

- подавление мешающих сигналов, угловое положение которых не соответствует направлению луча, с помощью которого измеряется угловые координаты полезной цели, что практически устраняет ошибку измерения угловых координат цели при наличии мешающих.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает достижение технического результата по сравнению с прототипом, которое заключается:

1. В увеличении уровня мощности излучения в каждом из N лучей до уровня мощности излучения однолучевой АФАР за счет использования отдельных частот для формирования каждого луча и дополнительно введенных фильтров.

2. В обеспечении независимого управления каждым из N лучей за счет введения управляемых внемодульных фазовращателей.

3. В устранении ошибок измерения угловых координат цели за счет подавления мешающих сигналов в дополнительно введенных фильтрах.

Изобретение относится к антенным системам направленного излучения и приема. Техническим результатом является увеличение уровня мощности излучения в каждом из лучей, обеспечение независимого управления каждым из лучей, устранение ошибок измерения угловых координат цели. Сущность изобретения состоит в том, что в каждом направлении (в каждом луче) используют всю излучаемую мощность, но на отличающихся частотах зондирование каждым лучом осуществляется в интервале времени, определяемом длительностью сигнала умноженной на скважность зондирующего импульса, прием эхо-сигналов всех лучей производится одновременно по мере их поступления, а разделение по лучам осуществляется с помощью фильтров, установленных на выходе сумматоров АФАР. Независимое управление лучами производится внемодульным наборами управляемых фазовращателей. Каждый набор предназначен для управления отдельным лучом. 6 ил.

Многолучевая (N - число лучей, где N=2, 3, ...) активная фазированная антенная решетка, содержащая подрешетки, состоящие из излучателей, приемопередающих модулей, сумматоров, выход каждого из которых соединен со входом соответствующего ему сумматора/делителя мощности первой группы, число выходов которого равно количеству лучей (N) и каждый выход каждого из этих сумматоров/делителей соединен со входом соответствующего сумматора/делителя второй группы, переключатели «прием-передача», выход каждого из которых подключен к входу приемника соответствующего луча, отличающаяся тем, что каждый из N выходов каждого из сумматоров/делителей первой группы подключен к входу дополнительно введенных управляемых внемодульных фазовращателей, к выходу каждого из которых подключен вход соответствующего ему сумматора/делителя второй группы, выход каждого из которых подключен к входу дополнительно введенного частотного фильтра, выход которого соединен с первым входом переключателя «прием-передача», каждого луча, а второй вход этого переключателя соединен с соответствующим выходом многочастотного задающего генератора.