СКАНИРУЮЩАЯ АПЕРТУРНАЯ ГИБРИДНАЯ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННА Российский патент 2017 года по МПК H01Q19/15 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокационных системах (РЛС) со сканированием луча.

Известна многолучевая (веерного типа) антенная решетка (MAP), (фиг. 1), содержащая линейную решетку излучателей (ЛРИ) и многополюсник (матрицу) Батлера (МБ). Многополюсник Батлера имеет N=2ⁿ входов (n - целое число) и такое же количество выходов, при этом каждый из выходов подключен к соответствующему входу ЛРИ. При подаче сигнала на i-ый вход МБ равноамплитудно возбуждаются все его выходы с определенным фазовым сдвигом так, что на выходах ЛРИ формируется фазовое распределение излучаемого сигнала с линейным фазовым набегом, в результате чего формируется диаграмма направленности ЛРИ, направление излучения которой перпендикулярно наклону фазового фронта ЛРИ. При одновременной запитке всех N входов МБ на выходе ЛРИ формируются амплитудно-фазовые распределения, количество которых равно количеству входов МБ. В результате этого на выходе MAP формируется веер из N лучей, при этом уровень пересечения ДН этих лучей составляет от минус 3 дБ до минус (4-5) дБ.

Если ко входам МБ дополнительно подключить выходы коммутатора (фиг. 2), то при переключении коммутатором входов МБ будет сформирован дискретно сканирующий луч сканирующей антенной решетки (САР) на передачу и прием.

Такая схема формирования сканирующего луча обладает рядом недостатков. В частности, в силу того, что излучающая антенная решетка (АР) является линейной, на выходе САР формируется дискретно сканирующий луч, у которого ширина ДН в двух плоскостях неодинаковая, что при использовании подобной САР в РЛС приводит к разной точности пеленгования по двум углам - углу места и курсовому углу - точечного объекта.

Технический результат состоит в уменьшении времени захвата цели радиолокатором, повышении точности ее сопровождения по углу места и курсовому углу за счет плавного сканирования или сканирования с малым шагом, т.е. когда шаг дискретного сканирования много меньше ширины диаграммы направленности (ДН) и повышении помехозащищенности радиолокатора за счет использования рабочего и дополнительных m приемных цифровых лучей гибридной антенны.

Для этого сканирующая апертурная гибридная приемо-передающая антенна для радиолокатора содержит параболический рефлектор, в фокальной плоскости которого расположена линейная решетка излучателей из N=2ⁿ излучателей, каналы которой, являющиеся одновременно входными и выходными, соединены через соответствующие 2ⁿ выходных каналов циркуляторов с входными каналами матрицы Батлера на прием и через 2ⁿ входных каналов циркуляторов с выходными каналами матрицы Батлера на передачу, причем выходы матрицы Батлера на прием соединены с цифровой антенной решеткой, на выходе которой формируются m приемных цифровых лучей гибридной антенны, а вход гибридной антенны на передачу через размножитель и блок из 2ⁿ фазовращателей соединен с соответствующими 2ⁿ входными каналами матрицы Батлера на передачу, при этом блок фазовращателей управляется сигналами радиолокатора.

А в способе передачи и приема электромагнитных сигналов посредством сканирующей апертурной гибридной приемо-передающей антенны для радиолокатора, при передаче радиосигнал равноамплитудно делится на N каналов, где N=2ⁿ, и через фазовращатели подается на N входных каналов матрицы Батлера, в которых с помощью фазовращателей устанавливается i-oe линейное фазовое распределение, в результате этого энергия концентрируется в i-ом выходном канале матрицы Батлера и через соответствующий циркулятор поступает в i-ый входной канал линейной решетки излучателей, после чего параболический рефлектор облучается i-ым излучателем, в результате формируется передающий луч антенны, который занимает в пространстве положение, соответствующее i-ому облучателю и, следовательно, i-ому наклону фазового фронта на входе матрицы Батлера, при приеме плоский фронт электромагнитной волны, падающей под некоторым углом на параболический рефлектор, отражаясь от параболического рефлектора фокусируется в виде фокального импульса в одном из излучателей линейной решетки, сконцентрированная в этом канале энергия проходит через соответствующую матрицу Батлера на прием, формирует на выходе матрицы Батлера на прием равноамплитудное фазовое распределение, наклон которого зависит от номера входного канала матрицы Батлера и, пройдя через цифровую антенную решетку, энергия сигнала формируется в виде цифрового приемного луча сканирующей гибридной антенны.

На фиг. 1 показана известная многолучевая антенная решетка.

На фиг. 2 показана известная коммутационная сканирующая антенная решетка.

На фиг. 3 представлена заявленная сканирующая апертурная гибридная приемо-передающая антенна для радиолокатора.

Сканирующая апертурная гибридная приемо-передающая антенна для радиолокатора содержит параболический рефлектор 1, в фокальной плоскости которого расположена линейная решетка 2 излучателей из N=2ⁿ излучателей, циркуляторы 3, матрицу Батлера на передачу 4 и матрицу Батлера на прием 5, цифровую антенную решетку (ЦАР) 6, блок из 2ⁿ фазовращателей 7, вход гибридной антенны на передачу 8, приемные цифровые лучи 9, процессор 10, размножитель 11, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 12 и приемники 13.

Заявленная апертурная гибридная многолучевая антенна (ГМА) функционирует следующим образом.

При подаче сигнала на i-ый вход ЛРИ 2 рефлектор 1 формирует в пространстве i-ый луч ГМА. Если рефлектор 1 осесиметричный, а все излучатели ЛРИ 2 имеют одинаковые геометрические размеры, обеспечивающие, например, оптимальное облучение ПР 1, то с каждого из входов ЛРИ 2 формируются лучи одинаковой ширины в двух плоскостях.

Каналы матриц Батлера 4, 5 подключены ко входам решетки излучателей 2 через циркуляторы 3 встречно так, что к N выходам решетки излучателей 2 подключены N входов матрицы Батлера 5 на прием, а выходы матрицы Батлера 4 на передачу подключены ко входам циркуляторов и, соответственно, ко входам ЛРИ 2.

Входы матрицы Батлера на передачу 4 подключены к выходам N фазовращателей 7. Все входы фазовращателей подключены к выходам N-канального размножителя 11, вход которого является входом 8 сканирующей гибридной антенны на передачу.

К выходам матрицы Батлера 5 на прием подключены N входов цифровой приемной решетки 6, на выходе цифровой решетки формируются m независимо сканирующих цифровых приемных лучей 9 гибридной антенны.

В режиме передачи электромагнитная энергия от передатчика подается на вход тракта передачи гибридной антенны 8, затем равноамплитудно делится на N каналов, где N=2ⁿ, и поступает на входы соответствующих N фазовращателей 7. Под действием управляющих сигналов, поступающих из радиолокатора, на фазовращателях 7 устанавливаются определенные фазовые сдвиги так, что на совокупности выходов фазовращателей формируется линейное фазовое распределение. С выходов фазовращателей электромагнитная энергия поступает в соответствующие N входов МБ 4 так, что в входных каналах МБ формируется равноамплитудное распределение с неким линейным фазовым фронтом. Свойство МБ таково, что в зависимости от наклона фазового фронта энергия, пройдя по каналам МБ, будет сконцентрирована в одном и, возможно, еще частично в соседнем, выходных каналах МБ.

При подключении входных каналов МБ через циркуляторы 3 к входным каналам ЛРИ 2 параболический рефлектор 1 будет облучаться излучателями ЛРИ 2. Если энергия сконцентрирована в излучателе, смещенном из центра ЛРИ, луч гибридной антенны повернется в пространстве на угол, пропорциональный наклону фазового фронта в блоке фазовращателей 7. В заявляемом решении в отличие от прототипа, у которого луч в пространстве устанавливается с дискретом, равным ширине ДН, в предлагаемой конструкции реализовано плавное фазовое сканирование.

Однако в настоящее время аналоговое управление фазовращателями практически не используется, а наибольшее распространение получили фазовращатели, имеющие 5-6 разрядное кодовое управление. Если рассматривать предлагаемую конструкцию гибридной антенны как фазированную решетку, то точность установки луча, связанная с его скачкообразным движением, обусловленным дискретным изменением фазы, рассчитывается по формуле

где δθ - точность установки луча при отсчете фазы от центра решетки;

θ_0,5 - ширина ДН решетки по половинному уровню мощности;

Δϕ - фазовый дискрет;

N - количество управляемых фазовращателей.

Для гибридной антенны с параболическим рефлектором характерен максимальный угол отклонения луча от центра антенны при допустимом уровне искажения ДН порядка ±4 ДН, это означает, что ЛРИ должна состоять в этом случае из 8 излучателей (N=8).

При пятиразрядном фазовращателе Δϕ=0,2 рад, тогда точность установки луча будет

Учитывая, что в прототипе луч устанавливается с ошибкой 0,5θ_0,5, точность установки луча в предлагаемой конструкции в 44 раза выше, чем у известного устройства.

В режиме приема сканирующая гибридная приемо-передающая антенна работает следующим образом:

Допустим, что плоский фронт электромагнитной волны падает на параболический рефлектор 1 под некоторым углом относительно оси рефлектора 1. Отразившись от рефлектора 1, энергия фокусируется в виде фокального импульса в одном или в определенной пропорции в двух излучателях ЛРИ 2. Далее энергия, сконцентрированная в этих каналах ЛРИ 2, проходит через соответствующие этим каналам циркуляторы 3 и попадает на соответствующие входы МБ 5. При этом на выходных каналах МБ 5 сформируется равноамплитудное фазовое распределение, наклон которого зависит от номеров входных каналов МБ 5.

Со всех выходных каналов МБ 5 энергия с упомянутым амплитудно-фазовым распределением поступает на соответствующие входы цифровой антенной решетки (ЦАР) 6, где происходит N-канальный прием СВЧ-энергии, поступившей на входы ЦАР 6, оцифровка принятых сигналов и цифровая обработка цифровых сигналов в процессоре 13, в результате которой на выходе процессора 13 формируются в цифровом виде независимо сканирующие лучи гибридной антенны.

Цифровая обработка в процессоре позволяет:

- изменять форму сканирующих ДН, например, увеличить ширину сканирующих лучей в режиме захвата цели, тем самым сократить время захвата, или наоборот - уменьшить ширину сканирующих лучей в режиме сопровождения целей, тем самым увеличить точность их сопровождения;

- одновременно формировать несколько независимо сканирующих лучей, с целью повышения помехозащищенности радиолокатора, например, формировать дополнительный луч в направлении воздействия помехового сигнала и с его помощью скомпенсировать действие помехи.

ЛИТЕРАТУРА

1. «Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток». Под редакцией д.т.н., проф. Д.Н. Воскресенского. М.: Издательство «Радиотехника», 2003 г.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокационных системах (РЛС) со сканированием луча. Технический результат состоит в уменьшении времени захвата цели радиолокатором, повышении точности ее сопровождения по углу места и курсовому углу за счет плавного сканирования или сканирования с малым шагом, т.е. когда шаг дискретного сканирования много меньше ширины диаграммы направленности ДН, и повышении помехозащищенности радиолокатора за счет использования дополнительных m цифровых приемных ДН. Для этого сканирующая апертурная гибридная приемо-передающая антенна для радиолокатора содержит параболический рефлектор, в фокальной плоскости которого расположена линейная решетка излучателей из N=2ⁿ излучателей, каналы которой, являющиеся одновременно входными и выходными, соединены через соответствующие 2ⁿ выходных каналов циркуляторов с входными каналами матрицы Батлера на прием и через 2ⁿ входных каналов циркуляторов с выходными каналами матрицы Батлера на передачу, причем выходы матрицы Батлера на прием соединены с цифровой антенной решеткой, на выходе которой формируются m приемных цифровых лучей гибридной антенны, а вход гибридной антенны на передачу через размножитель и блок из 2ⁿ фазовращателей соединен с соответствующими 2ⁿ входными каналами матрицы Батлера на передачу, при этом блок фазовращателей управляется сигналами радиолокатора. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сканирующая апертурная гибридная приемо-передающая антенна для радиолокатора, содержащая параболический рефлектор, в фокальной плоскости которого расположена линейная решетка излучателей из N=2ⁿ излучателей, каналы которой, являющиеся одновременно входными и выходными, соединены через соответствующие 2ⁿ выходных каналов циркуляторов с входными каналами матрицы Батлера на прием и через 2ⁿ входных каналов циркуляторов с выходными каналами матрицы Батлера на передачу, причем выходы матрицы Батлера на прием соединены с цифровой антенной решеткой, на выходе которой формируются m приемных цифровых лучей гибридной антенны, а вход гибридной антенны на передачу через размножитель и блок из 2ⁿ фазовращателей соединен с соответствующими 2ⁿ входными каналами матрицы Батлера на передачу, при этом блок фазовращателей управляется сигналами радиолокатора.

2. Способ передачи и приема электромагнитных сигналов посредством сканирующей апертурной гибридной приемо-передающей антенны для радиолокатора, заключающийся в том, что при передаче радиосигнал равноамплитудно делится на N каналов, где N=2ⁿ, и через фазовращатели подается на N входных каналов матрицы Батлера, в которых с помощью фазовращателей устанавливается i-oe линейное фазовое распределение, в результате этого энергия концентрируется в i-ом выходном канале матрицы Батлера и через соответствующий циркулятор поступает в i-ый входной канал линейной решетки излучателей, после чего параболический рефлектор облучается i-ым излучателем, в результате формируется передающий луч антенны, который занимает в пространстве положение, соответствующее i-ому облучателю и, следовательно, i-ому наклону фазового фронта на входе матрицы Батлера; при приеме плоский фронт электромагнитной волны, падающей под некоторым углом на параболический рефлектор, отражаясь от параболического рефлектора фокусируется в виде фокального импульса в одном из излучателей линейной решетки, сконцентрированная в этом канале энергия проходит через соответствующую матрицу Батлера на прием, формирует равноамплитудное фазовое распределение, наклон которого зависит от номера входного канала матрицы Батлера и, пройдя через цифровую антенную решетку, энергия сигнала формируется в виде цифрового приемного луча сканирующей гибридной антенны.