АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2008 года по МПК H01Q21/00 H01Q3/26 H01Q25/02 

Изобретение относится к радиолокации, в частности к технике СВЧ-антенн, и может быть использовано в качестве как активной, так и пассивной фазированной антенной решетки.

Известна «Двухдиапазонная антенная система» (RU 2177662 опубл. 27.12.2001), включающая фазированную антенную решетку (ФАР) высокочастотного диапазона, волноводные излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру, и ФАР низкочастотного диапазона, излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру. Излучатели обеих ФАР образуют единую апертуру антенной системы, центры излучения обеих ФАР совпадают между собой или сдвинуты на величину периода расположения излучателей высокочастотной ФАР, излучатели высокочастотной ФАР объединены в непрерывные линейки, а излучатели низкочастотной ФАР расположены между линейками высокочастотной ФАР, образуя ряды, причем величины периодов расположения излучателей низкочастотной ФАР в ряду выполняют точно в соответствии с требуемым для заданного сектора сканирования значением, а между рядами дискретно, с шагом, кратным значению периода расположения линеек излучателей высокочастотной ФАР. Излучатели низкочастотного диапазона могут быть расположены не на всей апертуре, образуя двух- и трехрядную структуру, либо занимают всю апертуру, а излучатели высокочастотного диапазона - только центральную часть апертуры, либо могут быть смещены на случайную величину, либо могут быть выполнены в виде укороченных Н-образных вибраторов с активным плечом длиной L₁ и пассивным плечом длиной L₂, установленных на стойках, выполненных на отрезках коаксиальной линии длиной h с симметрирующими щелями длиной L₃, причем L₁, L₂, L₃, h выбираются по формулам.

Недостатками такой двухдиапазонной антенной системы являются отсутствие возможности формирования суммарно-разностной диаграммы направленности (ДН) и отсутствие системы управления лучом, а также чисто пассивный режим работы.

Наиболее близкой по технической сущности является пассивно-активная фазированная антенная решетка (RU 2299502 С2, опубл. 20.05.2007), состоящая из п излучающих элементов, n приемопередающих модулей (НИМ) и распределительной системы. В состав ППМ входят m активных ППМ, каждый из которых содержит усилитель мощности передающего канала, малошумящие усилители приемного канала, фазовращатели, схему управления и контроля, (n-m) пассивных ППМ, каждый из которых содержит фазовращатель и схему управления фазовращателем. У каждого из m активных ППМ вход в режиме передачи (выход в режиме приема) соединен с соответствующим выходом (входом) распределительной системы СВЧ-мощности, а выход в режиме передачи (вход в режиме приема) соединен с общим каналом делителя мощности (сумматора мощности). К одному выходному каналу в режиме передачи (входному каналу в режиме приема) делителя мощности (сумматора мощности) присоединен излучающий элемент непосредственно, а к остальным каналам излучающие элементы присоединены последовательно через пассивные ППМ.

Недостатками этой пассивно-активной фазированной антенной решетки являются: отсутствие возможности формирования разностных диаграмм направленности, чрезмерная громоздкость и сложность схемы построения, что связано с последовательным соединением активных и пассивных приемопередающих модулей и связанные с этим увеличенные потери энергии на передачу и прием. Кроме того, управление каналами пассивно-активной ФАР осуществляется извне, что существенно усложняет и удорожает построение системы управления.

Технический результат предлагаемой активной фазированной антенной решетки заключается в упрощении схемы построения, вследствие чего достигаются большая компактность, простота и надежность конструкции, реализация одновременного формирования суммарной и разностной ДН, а также достижение автономии управления каналами активной фазированной антенной решетки (АФАР) от внешних управляющих систем.

Сущность изобретения состоит в том, что активная фазированная антенная решетка содержит m излучателей, соединенных с m приемо-передающих модулей, устройство распределения и фазирования и делитель. Новыми признаками заявленного технического решения являются введение формирователя диаграммы направленности, выполненного на трех направленных ответвителях, включенных по последовательно-параллельной схеме и имеющего два входа и четыре выхода, трех делителей, 2К-1 устройств распределения и фазирования, 2К периферийных устройств управления, каждый из четырех высокочастотных выходов формирователя диаграммы направленности подключен к высокочастотному входу соответствующего делителя, имеющего К/2 высокочастотных выходов каждый, где К - четное число. 2К выходов делителей соединены с высокочастотными входами соответствующих устройств распределения и фазирования, имеющих каждый m высокочастотных выходов, где m - любое целое число. Каждый из 2Кm высокочастотных выходов устройств распределения и фазирования соединен с высокочастотным входом соответствующего 2Кm приемо-передающего модуля. Каждое устройство распределения и фазирования соединено с высокочастотными входами m приемо-передающих модулей. Причем периферийное устройство управления, m низкочастотных выходов которого соединены с низкочастотными входами m приемо-передающих модулей, а низкочастотный (m+1)-ый выход периферийного устройства управления соединен с низкочастотным входом устройства распределения и фазирования, и образуют подрешетку, при этом низкочастотные входы всех периферийных устройств управления подключены к выходу блока управления лучом, вход блока управления лучом является управляющим входом активной фазированной антенной решетки, первый и второй входы формирователя диаграммы направленности являются суммарным и разностным входами активной фазированной антенной решетки.

В предлагаемой активной фазированной антенной решетке приемо-передающие модули, входящие в одну подрешетку, могут быть объединены в единую конструкцию.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемой АФАР.

На фиг.2 представлен пример выполнения приемо-передающего модуля.

На фиг.3 представлен пример выполнения устройства распределения и фазирования.

Предлагаемая активная фазированная антенная решетка, функциональная схема которой приведена на фиг.1, состоит из излучателей 1, соединенных с СВЧ-выходами приемо-передающих модулей (ППМ) 2, СВЧ-входы которых соединяются с СВЧ-выходами устройств распределения и фазирования (УРФ) 3. Низкочастотные входы ППМ 2 и УРФ 3 соединены с выходами периферийного устройства управления (УУ) 4, на вход которого подаются управляющие сигналы от блока управления лучом (БУЛ) 5; m ППМ 2 с подключенными к их выходам излучателями 1, один УРФ 3 и одно УУ4 образуют подрешетку 6. СВЧ-входы каждого УРФ 3 соединены соответственно с выходами четырех делителей 7, 8, 9, 10, входы которых подключены к четырем выходам диаграммообразующего устройства (ДОУ) 11, выполненного на трех направленных ответвителях 12, 13, 14, включенных по последовательно-параллельной схеме. Суммарный и разностный выходы диаграммообразующего устройства являются суммарным и разностным входами активной фазированной антенной решетки.

Приемо-передающий модуль (ППМ), пример выполнения которого приведен на фиг.2, состоит из приемного и передающего каналов, объединенных с одной стороны циркулятором 15, с другой стороны переключателем прием-передача (ППП) 16. В передающий канал ППМ 2 входят многокаскадный управляемый усилитель мощности 17. В приемный канал входит малошумящий усилитель (МШУ) 18 и управляемый аттенюатор 19, регулирующий уровень СВЧ-сигнала в режиме приема. Устройство распределения и фазирования (УРФ) 3, пример выполнения которого приведен на фиг.3 состоит из распределителя 20, делящего входной СВЧ-сигнал на m каналов (в данном примере на m=4), четырех фазовращателей 21.22.23, 24 и узла контроля и управления фазовращателями 25. Четыре выхода фазовращателей 21.22.23, 24 являются высокочастотными выходами УРФ 3, подключаемыми к ППМ 2.

Активная фазированная решетка выполненная, например, из 32 каналов работает следующим образом. В режиме передачи СВЧ-сигнал подается на суммарный вход ДОУ 11. В ДОУ 11 и четырех делителях 7, 8, 9, 10 происходит распределение энергии на 8 каналов. Сформированный по амплитуде сигнал с каждого выхода делителей 7, 8, 9, 10 подается на входы каждой из соответствующих восьми подрешеток 6, то есть на входы восьми УРФ 3, имеющих по 4 выхода. В УРФ 3 фазовращателями 21, 22, 23, 24 обеспечивается требуемое фазовое распределение - формируется либо плоский фазовый фронт, либо любой другой заданный. Значения фазы сигналов устанавливаются в соответствии с управляющими сигналами, поступающими на УРФ 3 от БУЛ 5 через УУ4. Сформированные таким образом СВЧ-сигналы подаются на входы 32 ППМ 2, в многокаскадных управляемых усилителях мощности 17 сигнал усиливается и через ППП 16 поступает на излучатели 1 и излучается в пространство, формируя суммарную диаграмму направленности.

В дополнение к сигналам, управляющим амплитудой и фазой в подрешетках 6, БУЛ 5 формирует команды на переход от режима передачи к режиму приема, которые через УУ 4 поступают на переключатели прием-передача 16 и многокаскадные управляемые усилители мощности 17 ППМ 2.

В режиме приема принимаемые 32 излучателями 1 СВЧ-сигналы поступают на входы ППМ 2, через ППП 16 подаются на МШУ 18 приемного канала ППМ 2, соответственно на входы УРФ 3 усиливаются, регулируются по уровню аттенюатором 19 и через циркулятор 15 передаются на входы УРФ 3, в которых происходит суммирование принимаемых СВЧ-сигналов в рамках одной подрешетки с заданными амплитудами и фазами. Причем требуемые фазовые соотношения определяются управляющими сигналами, поступающими от БУЛ 5 через УУ 4, а амплитудные соотношения определяются коэффициентами деления мощности в распределителе 20 УРФ 3 и коэффициентами усиления МШУ 17 ППМ 2 с учетом управляющих сигналов, поступающих на аттенюатор 19 ППМ 2. Сигналы СВЧ с восьми выходов подрешеток 6 поступают на входы четырех делителей 7, 8, 9, 10, суммируются и поступают на ДОУ 11, в котором происходит одновременное формирование суммарной и разностной ДН.

Кроме того, при подаче управляющего фазами сигнала от БУЛ 5 на УУ4 УРФ 3 одной половины раскрыва, обеспечивающие изменение фазы на 180° на соответствующих излучателях 1, происходит инверсия формируемых ДН по входам ДОУ 11, т.е. на суммарном входе формируется разностная ДН, а на разностном - суммарная.

Таким образом предлагаемая активная фазированная антенная решетка отличается упрощенной схемой построения, вследствие чего достигаются большая компактность, простота и надежность конструкции, реализация одновременного формирования суммарной и разностной ДН, а также достижение автономии управления каналами АФАР от внешних управляющих систем, а также достоинством предлагаемой схемы построения АФАР является возможность ее работы в пассивном режиме при коэффициенте усиления К_у ППМ 2, равном 1.

Изобретение относится к радиолокации для использования в качестве как активной, так и пассивной фазированной антенной решетки (АФАР). Технический результат заключается в упрощении и повышении надежности конструкции, реализуется одновременное формирование суммарной и разностной диаграмм направленности (ДН), а также достигается автономия управления каналами АФАР. АФАР содержит m излучателей (1), соединенных с m приемо-передающими модулями (ППМ) (2), устройство распределения и фазирования (УРФ) (3) и делитель (7). Дополнительно введены формирователь диаграммы направленности (ФДН) (11), имеющий два входа и четыре выхода, делители (Д) (8, 9, 10), 2К-1 УРФ (3), 2К периферийных устройств управления (УУ) (4) для установления требуемых значений фазовых соотношений в соответствии с управляющими сигналами от блока управления лучом (БУЛ) (5). Причем каждый из четырех высокочастотных (ВЧ) выходов ФДН (11) подключен к ВЧ-входу соответствующего Д, имеющего К/2 ВЧ-выходов каждый, где К - четное число, 2К ВЧ-выходов Д соединены с ВЧ-входами соответствующих УРФ (3), имеющих каждый m ВЧ-выходов, где m - любое целое число, каждый из 2Кm ВЧ-выходов УРФ (3) соединен с ВЧ-входом соответствующего 2Кm ППМ (2), ВЧ-выходы которых подключены к излучателям (1). При этом каждое УРФ (3), УУ (4) образует подрешетку. Низкочастотные входы всех УУ (4) подключены к выходу БУЛ (5), вход которого является управляющим входом АФАР, а входы ФДН (11) являются суммарным и разностным входами АФАР. 3 ил.

Активная фазированная антенная решетка, содержащая m излучателей, соединенных с m приемо-передающими модулями, устройство распределения и фазирования и делитель, отличающаяся тем, что дополнительно введены формирователь диаграммы направленности, имеющий два входа и четыре выхода, три делителя, 2К-1 устройств распределения и фазирования, 2К периферийных устройств управления, выполненных с возможностью установления требуемых значений фазовых соотношений в соответствии с управляющими сигналами, поступающими от блока управления лучом, причем каждый из четырех высокочастотных выходов формирователя диаграммы направленности подключен к высокочастотному входу соответствующего делителя, имеющего К/2 высокочастотных выходов каждый, где К - четное число, 2К высокочастотных выходов делителей соединены с высокочастотными входами соответствующих устройств распределения и фазирования, имеющих каждый m высокочастотных выходов, где m - любое целое число, каждый из 2Кm высокочастотных выходов устройств распределения и фазирования соединен с высокочастотным входом соответствующего 2Кm приемо-передающего модуля, высокочастотные выходы которых, в свою очередь, подключены к излучателям, при этом каждое устройство распределения и фазирования, соединенное с высокочастотными входами m приемо-передающих модулей, подключенных к m излучателям, периферийное устройство управления, m низкочастотных выходов которого соединены с низкочастотными входами m приемо-передающих модулей, а низкочастотный (m+1)-й выход периферийного устройства управления соединен с низкочастотным входом устройства распределения и фазирования, образуют подрешетку, причем низкочастотные входы всех периферийных устройств управления подключены к выходу блока управления лучом, вход блока управления лучом является управляющим входом активной фазированной антенной решетки, первый и второй входы формирователя диаграммы направленности являются суммарным и разностным входами активной фазированной антенной решетки.