СПОСОБ МИНИМИЗАЦИИ УПРАВЛЯЮЩИХ ТОКОВ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ФАР Российский патент 2021 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к радиолокации, а именно к фазированным антенным решеткам (ФАР), и может быть использовано для минимизации токов в коммутируемых фазовращателях антенной решетки. Управляющие токи коммутации в фазовращателях ФАР с большим числом элементов достигают величин десятков, сотен и более ампер, в зависимости от заданных параметров ФАР: коэффициент усиления, диапазон углов и закон сканирования луча, ширина ДН и пр., в том числе количество излучателей и применяемые схемы фазовращателей.

Это означает, что и мощность излучения и мощность, используемая для управления ФАР, достаточно велики. В многоэлементных ФАР мощность управления может многократно превышать излучаемую мощность. Требуются мощные источники электрической энергии, а это и вес, и объем. Если в наземных РЛС с ФАР это терпимо, то в летательных аппаратах малой и средней авиации это создает проблемы, что особенно это касается беспилотных летательных аппаратов (БПЛIА) среднего класса (до 1000 кг и выше) и беспилотников подводного назначения в ФАР сонаров.

Технической задачей изобретения является значительное уменьшение управляющего тока в фазовращателях схемы управления ФАР.

Технический результат достигается за счет применения одинаковой фазовой добавки ко всем фазовращателям ФАР, определяемой на этапе ее проектирования из условия минимизации одновременно включенных диодов. При этом положение луча не изменяется, сокращается число одновременно включенных рп диодов в каждом сдвиге фазы.

Для решения поставленной задачи предлагается способ минимизации управляющих токов фазовращателей схемы управления ФАР, основанный на фазируемом направленном излучении, характеризующийся тем, что ко всем излучающим элементам добавляют один и тот же фазовый сдвиг, при этом положение луча в пространстве не изменяется, а добавленный фазовый сдвиг обеспечивает минимальное число переключающих p-i-n элементов, тем самым значительно уменьшается потребление переключающих токов. Необходимое фазовое распределение устанавливается схемой управления фазовращателями.

С учетом того, что в традиционно используемых N-битовых фазовращателях с применением p-i-n диодов требуемый фазовый сдвиг в диапазоне от 0 до 360 градусов устанавливается с шагом 360/N, а состояние диодов в каждой из N ячеек может быть закрытым обратным напряжением или открытым прямым током, токи открывания диодов не линейно зависят от устанавливаемого фазового сдвига. Число открытых диодов может изменяться от 0 до 2N, если в каждой из ячеек используется по два p-i-n диода. Электрическое сканирование луча антенной решетки осуществляется установкой необходимого фазового сдвига к каждому из излучателей антенной системы.

На фиг. 1 изображено линейное распределение фазы, на котором показано:

1 - полотно ФАР

2 - диаграмма направленности (ДН) для одного сдвига фазы

3 - плоский фронт возбуждения (аппроксимация)

4 - ступеньки плоского фронта возбуждения (без фазовой добавки)

5 и 6 - ступеньки фазовой добавки

На фиг. 2 изображена диаграмма токов одного фазовращателя в зависимости от выставленного сдвига фазы в градусах (диаграмма соответствует 4-битовому фазовращателю с дискретом фазового сдвига 22,5 градусов). Предполагается, что ток открывания одного p-i-n диода составляет 20 мА.

На фиг. 3 изображены распределения токов управления в круглой ФАР, состоящей из 308 элементов для одного и того же угла наклона главного лепестка (в данном случае 15 градусов), но с разной фазовой добавкой ко всем фазовращателям (20 градусов на фиг. 3, а и 50 градусов на фиг. 3, б). Разница в величине управляющего тока составила 10,5%. Для ФАР квадратной формы разница увеличивается.

Видно, что идея по оптимальному управлению ФАР с точки зрения минимизации тока коммутируемых фазовращателей очень актуальна.

Любая сканирующая антенная решетка состоит из группы излучателей, определенным образом расположенных на полотне, которые заданным способом фазируются для формирования направленного излучения в требуемом направлении. Для отклонения луча на углы тета и фи сформированный плоский фронт возбуждения должен быть перпендикулярен направлению излучения (фиг. 1).

Линейное распределение фазы аппроксимируется в виде ступенек, положение которых наиболее близко к требуемому наклону фронта волны. Величина ступенек определяется дискретом фазирования фазовращателей (22,5 или 45 или иной градусов). Коммутация ячеек чаще всего происходит с помощью p-i-n диодов. При нулевом сдвиге все диоды закрыты и ток управления равен нулю. При сдвиге, равном дискрету фазирования, включается одна ячейка (например, 2 диода). Для сдвига в два дискрета включается другая ячейка (снова 2 диода). Для сдвига в 3 дискрета включается первая и вторая ячейка (4 диода), для сдвига в 4 дискрета включается одна ячейка с 2 диодами и т.д. Т.е. количество включенных диодов нелинейно зависит от требуемого фазового сдвига, а следовательно, и ток коммутации (фиг. 2).

Если ко всем излучающим элементами добавить один и тот же фазовый сдвиг, положение луча в пространстве не изменится (пунктирные ступеньки на фиг. 1). Однако при этом можно подобрать такую фазовую добавку, которая обеспечит минимальное значение управляющего тока в фазовращателях схемы управления ФАР. Эту добавку можно ввести как программно, так и с использованием общего для всех элементов ФАР фазовращателя.

Например, для ФАР из 308 элементов, с условием формирования луча под углом 15 градусов к нормали апертуры антенны и использования 4-битовых ФВ (с 4 ячейками) величина управляющего тока меняется от 26,2 до 23,7 А при условии, что каждый диод коммутируется током 20 мА. Экономия составляет 10,5%.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к фазированным антенным решеткам, и может быть использовано для минимизации токов в коммутируемых фазовращателях антенной решетки. Техническим результатом изобретения является значительное уменьшение управляющего тока в фазовращателях схемы управления ФАР. Технический результат достигается тем, что ко всем излучающим элементам добавляют один и тот же фазовый сдвиг, при этом положение луча в пространстве не изменяется, а добавленный фазовый сдвиг обеспечивает минимальное число переключающих p-i-n элементов, тем самым значительно уменьшается потребление переключающих токов, при этом фазовая добавка вводится программно или с использованием общего для всех элементов ФАР фазовращателя. 3 ил.

Способ минимизации управляющих токов фазовращателей схемы управления ФАР, основанный на фазируемом направленном излучении, характеризующийся тем, что ко всем излучающим элементам добавляют один и тот же фазовый сдвиг, при этом положение луча в пространстве не изменяется, а добавленный фазовый сдвиг обеспечивает минимальное число переключающих p-i-n элементов, тем самым значительно уменьшается потребление переключающих токов, при этом фазовая добавка вводится программно или с использованием общего для всех элементов ФАР фазовращателя.