Бортовая активная фазированная антенная решетка Х-диапазона с увеличенным сектором сканирования Российский патент 2018 года по МПК H01Q21/00 

Предлагаемое техническое решение относится к технике СВЧ, в частности к активным фазированным антенным решеткам (АФАР). Известны электрически сканирующие ФАР с прямоугольной апертурой L_x*L_y, состоящие из N=N_x*N_y излучателей [Амитей Н., Галиндо В., By Ч. Теория и анализ фазированных антенных решеток. Пер. с англ. / Под ред. А.Ф. Чаплина. М.: Мир. 1974, стр. 13; Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Д.И. Воскресенского. М.: Радио и связь. 1994, стр. 48]. При подключении к излучателям антенной решетки (АР) приемнопередающего модуля (ППМ) такая фазированная АР (ФАР) становится активной ФАР (АФАР) [Активные фазированные антенные решетки. Изд. 2-е. / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. М.: Радиотехника. 2004, стр. 50]. Схематически такие АР представлены в виде излучателей 1, расположенных на плоской апертуре (фиг. 1) и подключенных к излучателям ППМ 2 (фиг. 2). Минимальное число излучателей по осям 0X (N_x) и 0Y (N_y) в ФАР и АФАР зависит от секторов сканирования 2ϕ_ск и 2θ_ск соответственно в азимутальной и угломестной плоскостях (фиг. 1):

где λ_min - минимальная длина волны рабочего диапазона; ][ - операция взятия целого числа.

При подключении к каждому ППМ группы излучателей, общее число излучателей N не меньше, чем число ППМ N_м. Однако такая АФАР [Активные фазированные антенные решетки. Изд. 2-е. / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. М.: Радиотехника. 2004, стр. 50] имеет очень ограниченный сектор сканирования.

При подключении каждого излучателя АФАР к каждому ППМ общее число излучателей N равно общему числу ППМ N_м:

При этом сектор сканирования АФАР увеличивается.

Известно, что АФАР существенно превосходят ФАР по таким свойствам, как возможность повышения излучаемой мощности, по надежности, по эффективности многоканальной цифровой пространственно-временной обработки сигнала. В то же время АФАР существенно проигрывают ФАР в стоимости и массе из-за высокой стоимости и повышенных массогабаритных характеристик отдельных ППМ.

Бортовая АФАР Х-диапазона, устанавливаемая в носовой части летательного аппарата, должна обеспечивать следующие пространственные сектора электрического сканирования лучом по углам θ и ϕ: в угломестной плоскости, и -60°≤ϕ≤60°, и даже более, в азимутальной плоскости, где θ₀ - направление среднего значения угла сканирования в угломестной плоскости (0≤⎜θ₀⎜≤45°); - границы сектора сканирования при θ₀=0. Обычно для бортовых АФАР . Кроме того, поляризация антенны должна быть горизонтальной.

Максимальный сектор электрического сканирования в решетках с плоским излучающим раскрывом (плоской апертурой) ограничен из-за известных ограничений на максимальное расстояние между соседними излучателями и конструктивных размеров поперечных сечений ППМ. Так, проведенное моделирование показывает, что для АР с излучателями в виде вертикальных щелей в торцевой стенке закороченного волновода (горизонтальная поляризация антенны) максимальный сектор сканирования в угломестной плоскости (в плоскости, проходящей через продольную ось щели, и перпендикулярную к торцевой стенке волновода) при условии θ₀=0 и допустимого падения коэффициента усиления (КУ) антенны на границах сектора сканирования в пределах 4…5 дБ не превышает ±45°, а при сканировании в секторе углов ±60° в азимутальной плоскости (в плоскости, перпендикулярной продольной оси щели) падение КУ на границах сектора сканирования составляет не менее 3 дБ.

В качестве излучателей могут использоваться также горизонтальные щели с вертикальной поляризацией, или системы двух ортогональных щелей с круговой поляризацией, а также вибраторные, волноводные, рупорные или иные излучатели.

При вертикальной поляризации (горизонтальных щелевых излучателях) максимальный сектор сканирования в азимутальной плоскости при падении КУ антенны на границах сектора сканирования в пределах 4…5 дБ не превышает ±45°, а при сканирования в угломестной плоскости в секторе углов ±60° падение КУ на границах сектора сканирования составляет не менее 3 дБ.

Соответственно для круговой поляризации сектора сканирования в обеих плоскостях при падении КУ в пределах 4…5 дБ на краях сектора сканирования приблизительно ограничены значением ±45°.

Стремление расширить сектор сканирования сверх ±60° в азимутальной плоскости даже для вертикальных щелевых излучателей приводит к значительному падению КУ на краях сектора сканирования для рассматриваемой выше АР. Поэтому для обеспечения требуемого КУ на краях сектора сканирования обычно стремятся уменьшить размеры отдельного излучателя и расстояние между излучателями, или (если это невозможно) увеличивают число излучателей и число ППМ. Так, для повышения требуемого КУ на 3 дБ число излучателей и модулей в АФАР должно быть увеличено в два раза, соответственно при этом увеличиваются размеры апертуры АФАР, и АФАР по сути превращается в «две исходные АФАР» с размерами апертур L_x*L_y для каждой из АФАР (фиг. 3). При этом существенно возрастает стоимость и масса АФАР. Поэтому непосредственное использование такого приема в бортовых АФАР малоперспективно из-за ограничений по числу модулей АФАР, их стоимости и массы, а также предельных размеров апертуры АФАР.

В [Патент РФ 2277739. Активная фазированная антенная решетка с изменяемой конфигурацией. Канащенков A.M., Гуськов Ю.Н., Дмитриев А.А., Емельченков Ф.И., Францев В.В. Опубл. 10.06.2006. Бюл. 16.] предложена выпуклая АФАР с усеченной четырехгранной пирамидой, в которой боковые грани могут разворачиваться в единую плоскость, с механическим вращением этой плоскости в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

В [Активные фазированные антенные решетки. Изд. 2-е. / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. М.: Радиотехника. 2004, глава 5] рассмотрены схемы построения АФАР со сферическими и другими вариантами выпуклой ФАР, позволяющими расширить сектора сканирования.

В [Полезная модель 91228 RU. Активная фазированная антенная решетка. Кашаев Н.К. Опубл. 27.01.2010.] для расширения сектора сканирования АФАР предлагается несколько полотен АФАР размещать на боковых гранях усеченной пирамиды.

Однако конфигурация предложенных в [Активные фазированные антенные решетки. Изд. 2-е. / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. М.: Радиотехника. 2004; Патент РФ 2277739. Активная фазированная антенная решетка с изменяемой конфигурацией. Канащенков А.И, Гуськов Ю.Н., Дмитриев А.А., Емелъченков Ф.И., Францев В.В. Опубл. 10.06.2006. Бюл. 16; Полезная модель 91228 RU. Активная фазированная антенная решетка. Катаев Н.К. Опубл. 27.01.2010.] АФАР затрудняет их использование в бортовых АФАР из-за громоздкости конструкции. Кроме того, такие АФАР обладают значительным числом модулей АФАР, значительной массой и стоимостью.

В [Патент РФ 2429990. Многофункциональная радиолокационная станция высокого разрешения с активной фазированной решеткой для пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов. Андреев Г.И., Абрамов А.В., Татаренков КВ., Яковлев A.M., Осокин В.В., Габбасов М.З., Прудников Е.А. Опубл. 27.09.2011. Бюл. №27.] предложена АР для РЛС высокого разрешения для летательных аппаратов, состоящая из 512 активных каналов, сканирующая по азимуту и углу места. Недостатком этой АФАР является очень ограниченный сектор сканирования в азимутальной, и особенно в угломестной, плоскостях, а также значительное число активных модулей, равное числу каналов (излучателей), и, как следствие, значительная стоимость и масса антенны.

Обычно АФАР состоят из блока одноканальных ППМ. Так, АФАР [George W. Stimson Electronically Steered Array Antennas (ESAs) / Introduction to Airborne Radar. Second edition. Chap. 37. Scitech publishing, Inc., Mendham. New Jersey. 1998] PJIC из N излучателей содержит N_м=N ППМ, в каждый из которых входят: излучатель 2, вход (выход) которого подключен к третьему плечу циркулятора 3, первое плечо которого подключено к входу ограничителя 4, выход ограничителя 4 соединен с входом малошумящего усилителя (МШУ) 5, выход которого подключен к первому плечу переключателя прием-передача 6, второе плечо которого соединено с входом усилителя мощности 7, выход которого подключен к второму плечу циркулятора 3. Третье плечо переключателя прием-передача 6 подключено к входу фазовращателя 8, выход которого подключен к одному из N входов (выходов) распределительного устройства 9, вход которого подключен к выходу задающего устройства РЛС. Выход распределительного устройства 9 соединен с входом приемного устройства РЛС (фиг. 4). Недостатком этой схемы является одноканальность каждого модуля, т.е. каждый модуль имеет только один вход/выход, подключенный только к одному излучателю.

Для многих целей сектор электрического сканирования в азимутальной плоскости для бортовых ФАР Х-диапазона с горизонтальной поляризацией должен быть расширен до ϕ_ск=±60°…±90° и даже больше, при сохранении сектора сканирования в угломестной плоскости в пределах .

Для расширения сектора сканирования в азимутальной плоскости до значений , где , предлагается трансформировать полотно АР, изображенной на фиг. 3, в АР, выполненную в виде двух прямоугольных АР, симметрично расположенных относительно продольной оси 0Z (продольной оси самолета (вертолета)) и под углом относительно друг друга (фиг. 5). При этом излучающие поверхности антенн образуют клин с углом клина . В частности, при сектор сканирования в азимутальной плоскости определяется из неравенства -2ϕ_ск≤ϕ≤2ϕ_ск и увеличивается в два раза.

Для обеспечения более равномерной зависимости коэффициента усиления АФАР при сканировании в азимутальной плоскости в угловой области вблизи продольной оси 0Z самолета (вертолета) и повышения надежности АФАР величину целесообразно выбирать из условия , где 2ϕ_0,7 - ширина диаграммы направленности (ДН) АР в азимутальной плоскости.

Для обеспечения требуемого сектора сканирования в угломестной плоскости расстояние между соседними излучателями по оси 0Y при θ₀=0 не должно превышать

а в азимутальной плоскости

При треугольной (гексагональной) сетке излучателей (фиг. 6) расстояние d_y можно увеличить в 2/ раз. Поэтому

Однако при ⎜θ₀⎜>0 требования к расстоянию d_y возрастают до значений

Для обеспечения горизонтальной поляризации и шага d_x в качестве отдельного излучателя в АР целесообразно использовать вертикальную полуволновую щель, расположенную в торцевой стенке прямоугольного волновода. Возбуждение такого излучателя осуществляется либо с помощью коаксиально-вибраторного (в боковой стенке волновода), либо с помощью коаксиально-петлевого перехода в противоположной торцевой стенке волновода (фиг. 7,а,б). При этом, так как размер узкой стенки волновода b выбирается из условия b<0,5λ_min, для выбранной схемы компоновки излучателей в раскрыве АФАР (фиг. 6) условие (4) может быть обеспечено. Размер широкой стенки волновода обычно выбирается из условия а≥0,65λ_min. Соответственно, при выборе размера широкой стенки волновода из этого условия неравенство (5) с учетом толщины стенок волновода удается выполнить лишь при значительном падении КУ на краях сектора сканирования даже при θ₀=0. При ⎜θ₀⎜>0 падение КУ на одном из краев сектора сканирования увеличивается еще больше. С другой стороны, часто требования к сектору сканирования в угломестной плоскости таковы, что он становится несимметричным относительно направления θ₀=0, т.е. требования к максимальному отклонению луча вниз и вверх относительно плоскости X0Z являются различными. При этом требование к наибольшему отклонению луча остается неизменным на уровне . Поэтому при ⎜θ₀⎜>0 можно уменьшить на величину ⎜θ₀⎜, например, с помощью соответствующего наклона апертуры АР на угол ⎜θ₀⎜ относительно оси 0Y, и таким способом уменьшить падение КУ на одном из краев сектора сканирования.

Вариант полотна плоской АФАР с максимально возможными секторами сканирования в азимутальной и угломестной плоскостях представлен на фиг. 8.

Для уменьшения числа ППМ в два раза предлагается использовать двухканальный ППМ. Схема такого ППМ и схема АФАР с двухканальными ППМ приведена на фиг. 9, где каждый из двух входов (выходов) активной части модуля через переключатель П подсоединяется поочередно к каждому из двух излучателей 10, 11.

Переключатель П может быть электрически управляемым. В этом случае время переключения может быть менее 1 мс. При этом как при подключении излучателей через вход 10, так и при подключении излучателей через вход 11 все элементы схемы АФАР остаются неизменными, поэтому стоимость и весовые характеристики ППМ АФАР с дополнительным переключателем и без переключателя меняются очень незначительно.

Цель изобретения направлена на существенное (в два раза) уменьшение числа ППМ в АФАР и расширение сектора электрического сканирования в азимутальной плоскости до двух раз от -2ϕ_ск до 2ϕ_ск и обеспечение сектора сканирования в угломестной плоскости от значений до для произвольных углов θ_о из интервала ⎜θ₀⎜≤45° и значений , выбираемых из условия .

Наиболее близкой к заявляемому является передающая АФАР для РЛС AN/FPS-85 с плоской прямоугольной излучающей апертурой и с электрическим сканированием в азимутальной и угломестной плоскостях [Elson В.М. U.S. Space Tracking Capability to Double // Aviation Week and Space Technology. 1968. January 1. P. 64-67.] и числом активных модулей, равным числу излучателей. Схема размещения излучателей в апертуре аналогична схеме, приведенной на фиг. 3. Недостатком этой АФАР являются малые углы сканирования и значительное число активных модулей, а, следовательно, высокая стоимость и значительный вес АФАР.

Сущность изобретения заключается в создании АФАР для бортовых РЛС с широкоугольным электрическим сканированием в азимутальной и угломестной плоскостях при существенном уменьшении числа модулей, стоимости и массы АФАР.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что известная бортовая активная фазированная антенная решетка Х-диапазона, состоящая из двух активных фазированных антенных решеток (АФАР), каждая из которых состоит из излучающего полотна в виде излучающей поверхности из N щелевых излучателей, расположенных в торцах отрезков прямоугольных волноводов и образующих плоский излучающий раскрыв с размером L_x*L_y, и N приемопередающих модулей (ППМ), подсоединенных к излучателям и обеспечивающих электрическое сканирование в азимутальной плоскости в секторе углов ±ϕ_ск и в угломестной плоскости в секторе углов ±θ_ск, согласно заявляемому изобретению, АФАР выполнена в виде двух антенных решеток (АР) с плоской прямоугольной апертурой с общим числом излучателей 2N, расположенных симметрично относительно оси, совмещаемой с продольной осью самолета (вертолета), с наклоном θ₀ относительно прямоугольных апертур при θ₀=0 и под углом относительно друг друга, так что излучающая поверхность АФАР образует угол между линией пересечения плоскостей, в которых лежат излучающие полотна, и вертикальной осью, зависящий от значения , и блока из N ППМ с двухканальным входом (выходом), расположенных с внутренней стороны излучающих полотен АФАР, при этом каждый ППМ снабжен электрически управляемым переключателем каналов, обеспечивающим синхронное подключение входов (выходов) ППМ с выходом (входом) соответствующего полотна АР.

В частном случае излучающие полотна АФАР образуют клин или усеченный клин. Также излучающие полотна АФАР могут быть выполнены в форме эллипса с соотношением осей эллипса, равных отношению ширин диаграммы направленности каждой апертуры в угломестной и горизонтальной плоскостях.

Излучающие полотна АФАР могут быть образованы излучателями с вертикальной или горизонтальной поляризацией, или излучателями с эллиптической поляризацией с произвольным коэффициентом эллиптичности.

Излучающее полотно АФАР выполняется в виде двух прямоугольных АР, каждая с плоской излучающей поверхностью и числом излучателей N, определяемых соотношением (1), расположенных симметрично относительно продольной оси самолета (вертолета) и под углом относительно друг друга, апертуры прямоугольных АР наклонены на угол ±θ₀ относительно этих апертур при θ₀=0, так что излучающие поверхности антенн образуют часть поверхности клина с углом клина и углом между ребром клина и вертикальной осью 0Y. Значение зависит от значения θ₀: Во внутренней области клина располагается блок из N двухканальных ППМ. Каждый двухканальный ППМ имеет два переключаемых независимых входа-выхода с помощью электрически управляемого переключателя, размещаемого внутри двухканального ППМ.

Каждый из блока модулей ППМ 1 через электрически управляемый переключатель П 2 подключается к соответствующему излучателю 4 или только левого (относительно оси летательного аппарата 0Z), или только правого полотна излучающей ФАР 3 (фиг. 10). Поэтому при сканировании в азимутальном секторе в диапазоне углов от 0 до работают N ППМ и правое полотно ФАР с N излучателями, а при сканировании в азимутальном секторе в диапазоне углов от 0 до работают те же N ППМ и левое полотно ФАР с N излучателями. И хотя общее число излучателей в предлагаемой АФАР N_∑ увеличивается по сравнению с числом излучателей N каждой АР в два раза (N_∑=2N), число ППМ N_м остается неизменным, т.е. N_м=N. Практически мало меняется при этом стоимость АФАР, т.к. стоимость переключателя С_П, стоимость полотна АР С_АР и стоимость прочих элементов АФАР C_ПР значительно меньше стоимости N_м ППМ модулей:

где - стоимость АФАР с N излучателями; - стоимость АФАР с 2N излучателями.

Аналогичные соотношения имеют место и при оценке массы М АФАР:

где - масса АФАР с N излучателями; М_1М - масса одного ППМ; М_АР - масса полотна АР; М_П - масса переключателя; М_ПР - масса прочих элементов АФАР; - масса АФАР с 2N излучателями.

Поэтому

С целью более удобной компоновки блока ППМ 1 с излучателями 4 левого и правого полотен ФАР 3 излучающая поверхность АФАР выполняется в виде усеченного клина с размещением блока модулей ППМ 1 и переключателей 2 между полотнами АФАР (фиг. 11).

Ширина ДН в азимутальной 2ϕ_0,7 и угломестной 2θ_0,7 плоскостях для положения луча по нормали к апертуре к каждой АР зависит от размера L_х=N_хd_x и размера L_y=N_yd_y, и для равномерного амплитудного распределения на средней длине волны λ₀ определяется соотношениями

Соответственно, уровень боковых лепестков равен -13 дБ в обеих плоскостях. Соотношения (9) используются для выбора числа излучателей по оси 0X N_x и по оси 0Y N_y в зависимости от требуемой ширины ДН в азимутальной и угломестной плоскостях для каждого плоского излучающего раскрыва.

Для уменьшения уровня боковых лепестков в обеих плоскостях плоский излучающий раскрыв каждой АР выполняется в форме эллипса с соотношением полуосей эллипса r_г и r_в в горизонтальной и вертикальной плоскостях (фиг. 12 - в форме эллипса ФАР)

Заявляемое изобретение удовлетворяет критерию «существенные отличия», т.к. выполнение АФАР в виде двух АР с плоской апертурой с общим числом излучателей 2N, расположенных симметрично относительно продольной оси самолета (вертолета) и под углом относительно друг друга, плоскости апертур АР наклонены на угол ±θ₀ относительно вертикали к продольной оси самолета (вертолета), так что излучающие поверхности антенн образуют часть поверхности клина с углом клина и углом θ₀ между ребром клина и вертикальной осью, и блока из N двухканальных ППМ и электрически управляемого переключателя обеспечивает получение новых свойств АФАР, а именно: расширение сектора электрического сканирования, уменьшение в два раза числа используемых ППМ, уменьшение стоимости и массы АФАР.

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к активным фазированным антенным решеткам (АФАР) Х-диапазона, расположенным в носовой части самолета или вертолета. Изобретение может быть применено при разработке перспективных бортовых (самолетных и вертолетных) РЛС X-диапазона с широкоугольным электрическим сканированием в азимутальной плоскости, а также использовано при разработке АФАР для других РЛС с широкоугольным электрическим сканированием в азимутальной плоскости, работающих в Х-, Ku-, K-, Kа-диапазонах. Техническим результатом является возможность расширения сектора электрического сканирования углов сканирования при уменьшении в два раза числа используемых приемопередающих модулей (ППМ), уменьшении стоимости и массы АФАР. Предлагаемая АФАР состоит из двух АФАР, каждая из которых состоит из излучающего полотна в виде N излучателей, образующих плоский излучающий раскрыв с размером L_x*L_y, и N_м ППМ, подсоединенных по схеме каждый ППМ с каждым излучателем и обеспечивающих электрическое сканирование в азимутальной плоскости в секторе углов ±ϕ_ск и в угломестной плоскости в секторе углов ±θ_ск, так что суммарное число излучателей в обеих АФАР равно 2N, а число ППМ N_м=N. 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Бортовая активная фазированная антенная решетка X-диапазона, состоящая из двух активных фазированных антенных решеток (АФАР), каждая из которых состоит из излучающего полотна в виде излучающей поверхности из N щелевых излучателей, расположенных в торцах отрезков прямоугольных волноводов и образующих плоский излучающий раскрыв с размером L_x*L_y, и N приемопередающих модулей (ППМ), подсоединенных к излучателям и обеспечивающих электрическое сканирование в азимутальной плоскости в секторе углов ±ϕ_ск и в угломестной плоскости в секторе углов ±θ_ск,

отличающаяся тем, что АФАР выполнена в виде двух антенных решеток (АР) с плоской прямоугольной апертурой с общим числом излучателей 2N, расположенных симметрично относительно оси, совмещаемой с продольной осью самолета (вертолета), с наклоном θ₀ относительно прямоугольных апертур при θ₀=0 и под углом относительно друг друга, так что излучающая поверхность АФАР образует угол между линией пересечения плоскостей, в которых лежат излучающие полотна, и вертикальной осью, зависящий от значения θ₀: , и блока из N ППМ с двухканальным входом (выходом), расположенных с внутренней стороны излучающих полотен АФАР, при этом каждый ППМ снабжен электрически управляемым переключателем каналов, обеспечивающим синхронное подключение входов (выходов) ППМ с выходом (входом) соответствующего полотна АР.

2. Бортовая активная фазированная антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что излучающие полотна АФАР образуют клин.

3. Бортовая активная фазированная антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что излучающие полотна АФАР образуют усеченный клин.

4. Бортовая активная фазированная антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что излучающие полотна АФАР выполняются в форме эллипса с соотношением осей эллипса, равным отношению ширин диаграммы направленности каждой апертуры в угломестной и горизонтальной плоскостях.

5. Бортовая активная фазированная антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что излучающие полотна АФАР образованы излучателями с вертикальной поляризацией.

6. Бортовая активная фазированная антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что излучающие полотна АФАР образованы излучателями с горизонтальной поляризацией.

7. Бортовая активная фазированная антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что излучающие полотна АФАР образованы излучателями с эллиптической поляризацией с произвольным коэффициентом эллиптичности.