ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2014 года по МПК H01Q21/00 

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в СВЧ антенной технике в составе фазированных антенных решеток, использующих моноимпульсный метод пеленгации.

Известна фазированная антенная решетка (ФАР) с центральным возбуждением, содержащая линейные излучатели, выходы которых соединены с входами управляемых фазовращателей, многоканальный волноводный распределитель мощности, выходы которого соединены с направленными ответвителями, выполненными в виде отверстий связи и соединенными с выходами управляемых фазовращателей, и волноводный суммарно-разностный мост. Волноводный суммарно-разностный мост и многоканальный волноводный распределитель мощности выполнены в виде цельнометаллической конструкции так, что боковые плечи волноводного суммарно-разностного моста являются магистральными волноводами многоканального волноводного распределителя мощности, центральный направленный ответвитель которого подключен к регулярному участку отрезка волновода суммарного плеча волноводного суммарно-разностного моста (RU 2070759 С1, опубл. 20.12.1996 г., МПК H01Q 3/26).

Недостатком этого технического решения является высокий уровень боковых лепестков разностных диаграмм направленности.

Известна статья «Волноводная распределительная система бортовой антенны с электронным управлением лучом», авт. Синани А.И., Позднякова Р.Д., Митин В.А., «Антенны», вып.6(61), 2002 г.

В этой бортовой антенне используется волноводная распределительная система (ВРС) строчно-столбцового типа, в которой имеется четыре строчно-столбцовых делителя, каждый из которых разветвляет СВЧ-энергию в одном из квадрантов апертуры, и СВЧ-сумматор, запитывающий четыре упомянутые делителя с требуемыми для формирования суммарно-разностных диаграмм направленности фазовыми соотношениями.

Недостатком этого технического решения является высокий уровень боковых лепестков разностных диаграмм направленности, определяемый примененным способом формирования амплитудного распределения в апертуре антенны (ВРС формирует в раскрыве амплитудное распределение, спадающее от центра к краям, оптимальное для суммарного канала, в то же время являющееся неоптимальным для разностных каналов [«Теория синтеза антенн», авт. Б.М. Минкович, В.П. Яковлев, изд. «Советское радио», Москва, 1969 г.]).

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является фазированная антенная решетка, состоящая из 4К панелей излучателей, 4К блоков фазовращателей, 4К линеек волноводной распределительной системы и главного распределителя в составе СВЧ-сумматора, имеющего четыре выхода и один суммарный и два разностных входа, четырех линеек направленных ответвителей, каждая из которых имеет 2К выходов, и 4К согласованных нагрузок, причем N входов каждой из К панелей излучателей соединены с соответствующими N выходами каждого из К блока фазовращателей, N входов каждого из которых присоединены к соответствующим N выходам каждой из К линеек волноводной распределительной системы, вход каждой из К линеек волноводной распределительной системы соединен с соответствующими К выходами линеек направленных ответвителей главного распределителя, вход каждой из четырех линеек направленных ответвителей соединен с соответствующим выходом СВЧ-сумматора, причем по первому разностному входу формируется разностная диаграмма направленности в плоскости ориентации главного распределителя, а по второму разностному входу формируется разностная диаграмма направленности в плоскости линеек волноводной распределительной системы, при этом в одни К выходов линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия ответвляется, а в другие К выходов линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия не поступает. В главный распределитель введены четыре дополнительные линейки направленных ответвителей, имеющих 2К выходов в каждой, 4К+2 фазирующие секции, суммирующее устройство и направленный ответвитель, причем разностный вход СВЧ-сумматора, по которому формировалась разностная диаграмма направленности в плоскости главного распределителя, соединен с выходом фазирующей секции, вход которой подключен к одному из выходов направленного ответвителя, второй выход которого соединен с входом фазирующей секции, выход которой подключен к входу суммирующего устройства, а вход направленного ответвителя становится вторым разностным входом, по которому формируется разностная диаграмма направленности фазированной антенной решетки в плоскости ориентации главного распределителя, при этом каждый из четырех выходов суммирующего устройства соединен с соответствующими входами дополнительных линеек направленных ответвителей, а К выходов каждой из дополнительных линеек направленных ответвителей, на которые не поступает СВЧ-сигнал, соединены с К согласованными нагрузками, а другие К выходов дополнительных линеек направленных ответвителей подключены к К фазирующим секциям, выходы которых, в свою очередь, соединены с соответствующими К выходами линеек направленных ответвителей главного распределителя, состоящая из панелей излучателей, блоков фазовращателей, линеек волноводной распределительной системы и главного распределителя, в состав которого введены дополнительные линейки направленных ответвителей, суммирующее устройство и направленный ответвитель с фазирующими секциями, что в совокупности обеспечивает снижение уровня боковых лепестков разностной ДН в плоскости расположения главного распределителя на 10-15дБ [RU 2297699 С1, опубл. 10.07.2006 г., МПК H01Q 25/02].

Недостатком этого технического решения является невозможность независимой работы отдельных квадрантов апертуры.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что фазированная антенная решетка состоит из панелей излучателей, блоков фазовращателей, линеек ВРС и главного распределителя. Главный распределитель содержит СВЧ-сумматор, четыре основные линейки направленных ответвителей, суммирующее устройство, четыре дополнительные линейки направленных ответвителей, направленный ответвитель, фазирующие секции и согласованные нагрузки. Вход направленного ответвителя является при этом входом, по которому формируется разностная диаграмма направленности фазированной антенной решетки в плоскости ориентации главного распределителя.

Новым в предлагаемой фазированной антенной решетке является то, что каждую из четырех основных линеек направленных ответвителей главного распределителя выполняют с двумя магистральными волноводами, расположенными параллельно друг другу таким образом, что ответвленные волноводные каналы поочередно имеют общие широкие стенки с элементами связи в них то с одним, то с другим магистральным волноводом, при этом первый и второй магистральные волноводы объединены по входам балансным мостом, входы которого являются двумя независимыми входами линеек направленных ответвителей, при этом сигнал через элементы волноводного тракта и сумматор поступает на один из входов, условно первый, каждого из четырех балансных мостов, делится пополам, питая магистральные каналы основных линеек направленных ответвителей и распространяясь вдоль обоих магистральных волноводов последовательно ответвляется в ответвленные каналы направленных ответвителей, поступает на выходы линеек распределителя, формируя в совокупности заданное амплитудное распределение в плоскости главного распределителя, а в режиме на «прием», сигнал от раскрыва антенны через панель излучателей, блок фазовращателей и линейки волноводно-распределительной системы поступает на выходы линеек ответвителей главного распределителя, далее частично или полностью переходит в магистральные волноводы основных линеек направленных ответвителей или распределяются между всеми магистральными волноводами основной и дополнительной линейки направленных ответвителей, причем сигналы, пришедшие на входы магистральных волноводов, суммируются в балансном мосте и поступают на тот или иной вход балансного моста.

Технический результат предлагаемого решения заключается в увеличении функциональных возможностей ФАР в части обеспечения работы как всей антенны в целом, так и независимой работы отдельных квадрантов антенны, включая работу на различных частотах.

Заявляемый технический результат обеспечен выполнением основных линеек направленных ответвителей главного распределителя ФАР с двумя магистральными волноводами, объединенными по входам балансным мостом, который дает возможность работы либо каждого отдельного квадранта антенны, либо всего раскрыва антенны в целом в зависимости от того, изменены на 180° или нет значения фаз фазовращателей, расположенных в каждой второй строке.

На фиг.1 показана функциональная схема ФАР с оптимизированными характеристиками излучения и возможностью независимой работы отдельных квадрантов раскрыва.

Фазированная антенная решетка состоит из панелей излучателей 1, блоков фазовращателей 2, линеек ВРС 3 и главного распределителя, включающего в себя СВЧ-сумматор 4, линейки направленных ответвителей (основные) 5, суммирующее устройство 6, дополнительные линейки направленных ответвителей 7, направленный ответвитель 8, фазирующие секции 9 и 10, согласованные нагрузки 11. Основные линейки направленных ответвителей выполнены из двух магистральных волноводов 12 и 13, объединенных по входам балансным мостом 14, два входа которого (I и II) являются независимыми входами каждого квадранта.

Работает фазированная антенная решетка следующим образом:

- в режиме «на передачу» сигнал от передатчика через элементы волноводного тракта и сумматор 4 поступает на один из входов, условно первый (I), каждого из четырех балансных мостов 14, делится пополам, питая первый (12) и второй (13) магистральные каналы основных линеек направленных ответвителей 5, и, распространяясь вдоль обоих магистральных волноводов (12 и 13), последовательно ответвляется в ответвленные каналы НО, поступает на выходы линеек распределителя, формируя в совокупности заданное амплитудное распределение в плоскости главного распределителя. Каждый выходной канал главного распределителя питает соответствующие линейку ВРС 3, блок фазовращателей 2 и панель излучателей 1. Таким образом, «на передачу» работает весь раскрыв антенны.

Для независимой работы «на передачу» квадранта антенны сигнал от передатчика поступает непосредственно на второй (II) вход балансного моста 14 нужного квадранта, делится пополам и далее аналогично вышеописанному формирует заданное амплитудное распределение на всех выходных каналах распределителя, относящихся к этому квадранту антенны. Противофазность, возникающая на выходах балансного моста 14, устраняется в соответствующих блоках фазовращателей квадранта.

- в режиме «на прием» сигнал от раскрыва антенны через панель излучателей 1, блоки фазовращателей 2 и линейки ВРС 3 поступает на выходы линеек ответвителей главного распределителя, далее частично или полностью (в зависимости от соотношения направлений излученного и принятого сигналов) переходит или только в магистральные волноводы 12 и 13 основных линеек направленных ответвителей или распределяется между всеми магистральными волноводами основной и дополнительной линейки направленных ответвителей. Сигналы, пришедшие на входы магистральных волноводов 12 и 13, суммируются в балансном мосте 14 и поступают тот или иной вход моста (I или II) в зависимости от заданного режима работы антенны. В случае работы «на прием» всей антенны - на вход I, соединенный с выходом сумматора 4 (для всех квадрантов). В случае независимой работы «на прием» одного квадранта раскрыва - на вход II (свободный) моста, связанный с соответствующим приемником. При этом в заданном квадранте необходимо изменение на 180° значений фазы фазовращателей 2, расположенных в каждой второй строке.

Предлагаемое техническое решение, то есть выполнение каждой из четырех основных линеек направленных ответвителей главного распределителя с двумя магистральными волноводами и объединение этих магистральных волноводов по входам балансным мостом, позволяющее обеспечить возможность независимой работы отдельных квадрантов антенны, не влияет на оптимизацию характеристик излучения ФАР. При несовпадении направлений излученного и принятого сигналов суммируются в направленном ответвителе 8 сигналы от входов I балансных мостов 14 и входов магистральных волноводов дополнительных линеек 7 с определенными фазовыми соотношениями, обусловленными фазирующими секциями 9 и 10, что обеспечивает улучшение (оптимизацию) разностной ДН в плоскости расположения волноводного распределителя.

Таким образом, технико-экономические преимущества предложенного технического решения по сравнению с прототипом заключаются в возможности независимой работы отдельных квадрантов антенны на прием и на передачу без ухудшения работы всей антенны. Следует отметить, что независимая работа квадрантов предполагает также возможность излучения и приема СВЧ-сигнала отдельными квадрантами на различных частотах.

Результаты практической реализации предложенного конструктивно- технического решения не вызывают сомнения. Проведенное математическое моделирование подтверждает возможность реализации независимой работы отдельных квадрантов ФАР.

Изобретение относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в СВЧ антенной технике в составе фазированных антенных решеток, использующих моноимпульсный метод пеленгации. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения работы как всей антенны, так и обеспечения независимой работы отдельных квадрантов антенны при работе на различных частотах. Для этого фазированная антенная решетка состоит из панелей излучателей, блоков фазовращателей, линеек ВРС и главного распределителя, содержащего СВЧ-сумматор, четыре основные линейки направленных ответвителей, суммирующее устройство, четыре дополнительные линейки направленных ответвителей, направленный ответвитель, фазирующие секции и согласованные нагрузки, при этом для работы на различных частотах каждую из четырех основных линеек направленных ответвителей главного распределителя выполняют с двумя магистральными волноводами, расположенными параллельно друг другу таким образом, что ответвленные волноводные каналы поочередно имеют общие широкие стенки с элементами связи в них то с одним, то с другим магистральным волноводом, при этом первый и второй магистральные волноводы объединены по входам балансным мостом, входы которого являются двумя независимыми входами линеек направленных ответвителей. 1 ил.

Фазированная антенная решетка, состоящая из панелей излучателей, блоков фазовращателей, линеек ВРС и главного распределителя в составе СВЧ-сумматора, четырех основных линеек направленных ответвителей, суммирующего устройства, четырех дополнительных линеек направленных ответвителей, направленного ответвителя, фазирующих секций и согласованных нагрузок, при этом вход направленного ответвителя является входом, по которому формируется разностная диаграмма направленности фазированной антенной решетки в плоскости ориентации главного распределителя, отличающаяся тем, что каждую из четырех основных линеек направленных ответвителей главного распределителя выполняют с двумя магистральными волноводами, расположенными параллельно друг другу таким образом, что ответвленные волноводные каналы поочередно имеют общие широкие стенки с элементами связи в них то с одним, то с другим магистральным волноводом, при этом первый и второй магистральные волноводы объединены по входам балансным мостом, входы которого являются двумя независимыми входами линеек направленных ответвителей, при этом сигнал через элементы волноводного тракта и сумматор поступает на один из входов, условно первый, каждого из четырех балансных мостов, делится пополам, питая магистральные каналы основных линеек направленных ответвителей и распространяясь вдоль обоих магистральных волноводов, последовательно ответвляется в ответвленные каналы направленных ответвителей, поступает на выходы линеек распределителя, формируя в совокупности заданное амплитудное распределение в плоскости главного распределителя, а в режиме на «прием» сигнал от раскрыва антенны через панель излучателей, блок фазовращателей и линейки волноводно-распределительной системы поступает на выходы линеек ответвителей главного распределителя, далее частично или полностью переходит в магистральные волноводы основных линеек направленных ответвителей или распределяются между всеми магистральными волноводами основной и дополнительной линейки направленных ответвителей, причем сигналы, пришедшие на входы магистральных волноводов, суммируются в балансном мосте и поступают на тот или иной вход балансного моста.