ПРИЕМНАЯ МНОГОЛУЧЕВАЯ АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2018 года по МПК H01Q25/00 

Предлагаемое в качестве изобретения техническое решение относится к антеннам, имеющим по меньшей мере две диаграммы направленности, и может быть использовано, в системах связи, требующих обеспечения высокой устойчивости к электромагнитным помехам, в том числе в системах СВЧ диапазона.

В настоящее время уменьшение массы и значительное снижение искажения сигналов при протяженной (более ста метров) передаче данных удается достигать за счет применения оптоволоконных кабелей (ОВК). Известно, например, использование ОВК для передачи цифрового многочастотного узкополосного сигнала - в системах кабельного телевидения, а также для передачи одночастотного радиосигнала (аналогового сигнала) - в корабельных системах связи.

Для передачи многочастотного радиосигнала (в том числе широкополосного) известно применение многолучевой активной фазированной антенной решетки (патент US №6169513 В1, опубл. 2 января 2001 г., МПК Н04В 7/185), состоящей из М облучателей, где М=2, 3, 4, …, блока управления, М приемных каналов, узкополосных лучевых полосно-пропускающих фильтров, выходных усилителей и лучевых сумматоров, каждый приемный канал содержит входной полосно-пропускающий фильтр, малошумящий усилитель. N-канальный делитель мощности и фазовращатели, входы всех фазовращателей соединены с выходами соответствующего N-канального делителя мощности, а выходы - с соответствующими входами лучевых сумматоров.

Недостатком данной антенны является использование узкополосных лучевых полосно-пропускающих фильтров и выходных усилителей в каждом приемном канале, что усложняет конструкцию и приводит к ухудшению массогабаритных характеристик.

Частично эти проблемы устранены в ближайшем аналоге технического решения приемной многолучевой активной фазированной антенной решетки (АФАР) - в приемной многолучевой активной фазированной антенной решетке по патенту РФ №2352034 (МКИ H01Q 3/36, ГУН г. Москвы НИЦ "СПУРТ", опубликовано 10.04.2009). Входная часть АФАР содержит на каждом из N (N≥2) входов (М по описанию) n-ую группу из последовательно соединенных излучателя, малошумящего усилителя, М-канального (N-канального по описанию) делителя мощности (где М≥2), а также параллельно подключенные к нему первыми входами М фазовращателей, параллельно соединенные, кроме того, вторыми входами с блоком управления.

Выходная часть ЛФАР содержит М (N по описанию) выходных каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные лучевой сумматор, узкополосный лучевой полосно-пропускающий фильтр и выходной усилитель. При этом выход каждого из M×N фазовращателей соединен с соответствующим входом соответствующего лучевого сумматора, то есть выход каждого m-го фазовращателя каждой n-й группы подключен к n-му входу m-го лучевого сумматора.

Недостатком ближайшего аналога является необходимость реализации диаграммо-образующей системы (ДОС - разводки) для каждого луча, что влечет увеличение размеров и массы антенной решетки.

Целью предлагаемого в качестве изобретения технического решения является увеличение помехозащищенности и устойчивости принимаемого многочастотного аналогового сигнала к электромагнитным помехам при протяженной передаче принимаемого сигнала в ЛФАР, обеспечение высокой надежности ее работы, а также уменьшение массы и увеличение технологичности сборки изделия.

Цель достигается в приемной многолучевой активной фазированной антенной решетке (АФАР) за счет того, что сформированные в фазовращателях и лучевых сумматорах М суммарных аналоговых (электрических) сигналов преобразуют в оптические, суммируют все М сигналов, передают суммарный оптический сигнал по ОВК, а перед усилением и передачей потребителю осуществляют обратное оптоэлектронное преобразование и выделение всех М сформированных аналоговых сигналов. Для этого в выходную часть структурной схемы АФАР дополнительно включают: М электронно-оптических преобразователей (ЭОП), оптический сумматор (ОС), оптический делитель (ОД) и М селективных фотоприемников (СФП). Применение перечисленных устройств и ОВК для передачи информации в многолучевой АФАР позволяет значительно снизить ее массу, трудоемкость монтажа, исключить искажения сигнала даже в сложной электромагнитной обстановке.

Многолучевая активная фазированная антенная решетка (АФАР), выполненная с возможностью подачи необходимого напряжения питания на все элементы схемы, требующие питания, содержит на каждом из N (N≥2) входов n-ую группу из последовательно соединенных излучателя, малошумящего усилителя, М-каналыюго делителя и параллельно подключенных к нему первыми входами М фазовращателей (М≥2, N≥2). Кроме того, вторые входы MxN фазовращателей параллельно подключены к блоку управления для получения от последнего определенных фазовых программ. Входные группы и блок управления составляют входную часть АФАР.

АФАР содержит М лучевых сумматоров 5 (Σ) с N входами в каждом. Выход каждого из М фазовращателей каждого из N каналов подключен к соответствующему входу соответствующего лучевого сумматора (выход каждого m-го фазовращателя каждого n-го канала - к n-му входу m-го сумматора).

Причем выход каждого лучевого сумматора через соответствующий электронно-оптический преобразователь соединен с оптическим сумматором (ОС). Выход ОС соединен с входом оптического делителя (ОД). К выходу ОД параллельно подключены М селективных фотоприемников (СФП). Выход каждого m-го СФП соединен с соответствующим выходом АФАР через соответствующий выходной усилитель (У) для передачи принятой информации потребителю.

Предпочтительно, чтобы по меньшей мере один из СФП содержал последовательно соединенные широкополосный фотоприемник (ФП), подключенный к входу СФП, и узкополосный фильтр (Ф), подключенный к выходу СФП.

В качестве ЭОП может быть использован, например, электронно-оптический модулятор, возбуждаемый оптическим лазером определенной длинны волны, например, на основе арсепида галлия или фосфида индия или же на основе ниобата лития (LiNbO3), который обеспечивает не только уникальное сочетание функциональных характеристик, но и стабильную работу в жестких условиях, в том числе в условиях космического пространства.

Для обратного оптоэлектронного преобразования сигнала и выделения сигнала определенной частоты могут использовать как один селективный фотоприемник на основе фотодиода, так и два элемента - широкополосный фотоприемник на основе фотодиода и узкополосный фильтр.

Далее состав и работа АФАР будут описаны в одном из предпочтительных вариантов исполнения.

На Фигуре приведена структурная схема приемной многолучевой активной фазированной антенной решетки.

Многолучевая активная фазированная антенная решетка (АФАР), изображенная на Фигуре, содержит N (N≥2) групп из последовательно соединенных излучателя 1 (Изл), малошумящего усилителя 2 (МШУ), М-канального делителя 3 (Д), к выходу последнего подключены первые входы М фазовращателей 4 (ФВ) (М≥2). Выход m-го фазовращателя в n-м канале является m-м выходом n-й группы (входного приемного канала). Многолучевая АФАР содержит также М лучевых сумматоров 5 (Σ) с N входами. Каждый выход m-го фазовращателя каждого n-го канала - к n-му входу m-го сумматора. Выход каждого m-го лучевого сумматора через соответствующий электронно-оптический преобразователь 6 (ЭОП) соединен по ОВК с соответствующим входом оптического сумматора 7 (ОС). Управление фазовращателями осуществляют блоком управления 8 (БУ) через вторые входы ФВ 4.

Выход ОС 7 соединен по ОВК с входом оптического делителя 9 (ОД).

К выходу ОД 9 подключены М селективных фотоприемников 10 (СФП). В данном варианте исполнения каждый из СФП 10 содержит последовательно соединенные широкополосный фотоприемник 11 (ФП), вход которого является входом СПФ К), и узкополосный фильтр 12 (Ф). К выходу каждого СФП 10 (в данном варианте - к выходу Ф 12) подключен выходной усилитель 13 (У). Выходы У 13 являются М выходами выходных приемных каналов многолучевой АФАР для передачи информации М потребителям.

Таким образом, передачу сигнала от ЭОП 6 до СФП 10 осуществляют по ОВК, что дает существенный выигрыш по массе и устойчивости передачи сигнала при больших геометрических размерах АФАР или при удаленном расположении устройства обработки принятых в АФАР сигналов.

АФАР начинает функционировать при подаче необходимого напряжения питания на вес элементы схемы, требующие питания.

Принимаемый аналоговый сигнал (например, высокочастотный широкополосный) поступает одновременно на N излучателей 1 (входы входных групп) и далее - на МШУ 2. Полоса пропускания МШУ 2 является суммой полос всех лучей и определяется соотношением:

, где

ΔF - полоса пропускания входного приемного тракта,

М - число лучей,

Δfm - полоса каждого луча.

То есть полоса пропускания МШУ 2 включает частотные диапазоны всех Δfm, 1≤m≤M. В каждой группе принятый сигнал делят в делителе 3 на М лучей (сигнал в полосе частот Δfm, 1≤m≤М) согласно числу выходных приемных каналов в системе - количеству потребителей.

Выделенные сигналы поступают на первые входы ФВ 4 соответствующей n-й группы. Далее в ФВ 4 всех групп формируют М независимых лучей на прием заданием фазового распределения посредством подачи соответствующих фазовых программ из БУ 8 на все вторые входы M×N фазовращателей 4. Фазовые программы для ФВ 4 могут быть адаптивными. М выходов ФВ 4 являются m-ми выходами n-й группы.

С выхода каждого m-го фазовращателя каждого n-й группы электрические (аналоговые) сигналы сформированных лучей поступают на n-й вход m-го Σ 5, где суммируют N аналоговых сигналов m-ых лучей, сформированных во входных приемных каналах. Получают m-ый суммарный аналоговый сигнал m-го для выходного приемного канала с фазовой адресацией, предусмотренной фазовыми программами БУ 8.

Каждый из М суммарных сигналов передают на соответствующий ЭОП 6 для преобразования электрического сигнала в оптический. При этом излучаемый в m-ом ЭОП 6 оптический сигнал определенной длины волны модулируют поступающим электрическим сигналом m-го луча. Получают М модулированных оптических выходных приемных сигналов, каждый из которых имеет соответствующую длину волны m (им) и уровень выходной мощности одного порядка (мВт). Все М выходных приемных сигналов через ОВК передают на ОС 7 для суммирования. Суммарный оптический сигнал передают через ОВК на ОД 9. Далее через выход ОД 9 сигнал по ОВК передают на каждый из М СПФ 10 для обратного выделения выходных приемных сигналов.

В СФП 10 каждого m-го выходного приемного канала проводят обратное оптоэлектронное преобразование сигнала m-го модулированного оптического сигнала и выделение полосы частот Δfm. В представленном на Фиг. варианте исполнения заявленною изобретения оптический сигнал с выхода ОД 9 поступает на входы всех ФП 11 (входы СФП 10), где проводят демодуляцию оптического сигнала, а затем на Ф 12. где выделяют заданную в системе полосу част. В результате на выходе каждого m-го Ф 12 (выходы СФП 10) получают электрический m-ый суммарный сигнал m-го выходного приемного канала, полученный ранее в m-ом Σ 5 из принимаемого АФАР информационного сигнала. Выделенный в СФП 10 суммарный сигнал усилителем 13 доводят до требуемого потребителем уровня.

Благодаря преобразованию аналогового выходного приемного сигнала с фазовой адресацией в оптический в каждом m-ом ЭОП 6, суммированию этих оптических сигналов, передаче информации по ОВК. на выходах СПФ 10 после обратного преобразования получают сигналы, сформированные в соответствующих лучевых сумматорах без потерь и искажений. Вместе с тем, многократно (в М раз) снижается трудоемкость монтажа ОВК между ОС 7 и ОД 9 (лишь один кабель), что значительно снижает затраты.

Несмотря на то, что предлагаемые в качестве изобретений техническое решение приемной многолучевой активной фазированной антенной решетки и способ передачи многочастотного сигнала по оптоволоконному кабелю показаны и описаны со ссылкой на их конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения.

Например, во входные приемные каналы могут быть введены дополнительные каскады малошумящих усилителей для повышения чувствительности приемного тракта и дополнительные полосно-пропускающие фильтры для повышения помехозащищенности.

Описанное построение приемной многолучевой активной фазированной антенной решетки характеризуется высокой надежностью за счет упрощения сборки и монтажа, приемлемыми шумовыми характеристиками при высокой помехозащищенности независимо от протяженности ОВК, что особенно важно при работе в сложной электромагнитной обстановке.

Изобретение относится к антеннам, имеющим по меньшей мере две диаграммы направленности, и может быть использовано в системах связи, требующих обеспечения высокой устойчивости к электромагнитным помехам, в том числе в системах СВЧ-диапазона. Многолучевая активная фазированная антенная решетка (АФАР), выполненная с возможностью подачи необходимого напряжения питания на все элементы схемы, требующие питания, содержит на каждом из N (N≥2) входов n-ую группу из последовательно соединенных излучателя, малошумящего усилителя, М-канального делителя и параллельно подключенных к нему первыми входами М фазовращателей (М≥2, N≥2). Кроме того, вторые входы M×N фазовращателей параллельно подключены к блоку управления. ЛФАР содержит М лучевых сумматоров 5 (Σ) с N входами в каждом. Выход каждого m-го фазовращателя каждого n-го канала - к n-му входу m-го сумматора. Причем выход каждого лучевого сумматора через соответствующий электронно-оптический преобразователь соединен с оптическим сумматором (ОС). Выход ОС соединен с входом оптического делителя (ОД). К выходу ОД параллельно подключены М селективных фотоприемников (СФП). Выход каждого m-го СФП соединен с соответствующим выходом АФЛР через соответствующий выходной усилитель (У) для передачи принятой информации потребителю. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Приемная многолучевая активная фазированная антенная решетка (АФАР), выполненная с возможностью подачи необходимого напряжения питания на все элементы схемы, требующие питания, содержащая на каждом из N (N≥2) входов n-ую группу из последовательно соединенных излучателя, малошумящего усилителя, М-канального делителя (М≥2) и параллельно подключенных к нему первыми входами М фазовращателей, а также блок управления, М лучевых сумматоров и М выходных усилителей, причем вторые входы фазовращателей подключены параллельно к блоку управления, а выход каждого m-го фазовращателя каждой n-ой группы подключен к n-му входу m-го лучевого сумматора, отличающаяся тем, что лучевые сумматоры через соответствующие электронно-оптические преобразователи параллельно подключены к оптическому сумматору, выход которого подключен к входу оптического делителя, к выходу которого параллельно подключены М селективных фотоприемников (СФП), подключенных к соответствующим m-ым выходам АФАР через соответствующие выходные усилители.

2. Приемная многолучевая активная фазированная антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из СФП содержит последовательно соединенные широкополосный фотоприемник, подключенный к входу СФП, и узкополосный фильтр, подключенный к выходу СФП.