Преобразовательный приемопередающий модуль цифровой антенной решетки с ортогональным управлением (варианты) Российский патент 2021 года по МПК H01Q3/00 

Данное изобретение относится к радиотехнике, в частности, к преобразовательным приемопередающим модулям (ПППМ) и может быть использовано в радиолокации и системах связи для работы в составе цифровых антенных решеток (ЦАР) с применением технологий цифрового диаграммообразования (ЦДО) на передачу и прием, и методов цифровой обработки сигналов (ЦОС).

Цифровое диаграммообразование и обработка сигналов в ЦАР позволяет решить практически любую задачу адаптивного формирования диаграммы направленности антенны (ДНА). Учитывая, что антенны РЛС обнаружения, для обеспечения требуемых точностей измерения угловых координат, должны иметь размеры раскрыва в несколько десятков длин волн, количество независимых каналов цифрового диаграммообразования и обработки сигналов для двумерных ЦАР корабельных РЛС обнаружения, может достигать единиц и десятков тысяч. Наличие такого количества степеней свободы, а значит и независимых элементов управления является избыточным, так как задача управления (и адаптации) ДНА сводится обычно к формированию одного (или нескольких) максимумов (суммарных диаграмм), соответствующего количества разностных диаграмм, а также некоторого количества «нулей» по направлениям воздействия активных помех. Максимальное количество активных помехопостановщиков должно быть на единицу меньше числа степеней свободы (элементов управления) в ЦАР. Обычно это требование выполняется в двумерных ЦАР с запасом в два-три порядка.

Вычислительная трудоемкость задач адаптации и оптимизации ДНА с числом параметров в сотни и тысячи делает их нереализуемыми в реальном масштабе времени. Содержание задач управления и адаптации ДНА для ЦАР РЛС обнаружения позволяет существенно упростить решение указанной задачи разбив (разделив) ее на решение на несколько подзадач меньшей размерности.

В данном изобретении для сокращения числа каналов управления (числа степеней свободы) используется ортогональное (покоординатное) управление при котором управляемые элементы решетки расположенные в разных «строках» и «столбцах» получают по соответствующим координатам одинаковые управления. Устройство ЦДО строится как для двух одномерных решеток. Число независимых каналов цифрового управления (диаграммообразования), как видно на рисунке Фиг. 1, равно - (М+N).

При модульном построении ЦАР и реализации двухуровневого управления, первый уровень управления внутри модуля (подрешетки) реализуется независимо цифровым или аналоговым способом, а для общего управления и адаптация ДНА ЦАР на втором уровне управления между подрешетками реализуется ортогональное (покоординатное) управление при котором подрешетки расположенные в разных «строках» и «столбцах» решетки получают по соответствующим координатам одинаковые управления.

При этом число независимых каналов цифрового управления (диаграммообразования), как видно на рисунке Фиг. 2, равно - (Р+R).

Необходимым условием реализуемости такого подхода является то, что количество независимых каналов цифрового управления (число степеней свободы) должно быть на единицу больше количества подавляемых помех. Предполагая, что ортогональное управление строится независимо по координатам, эти условия должны удовлетворяться по каждой из координат. Значительное уменьшение количества степеней свободы на втором уровне управления позволяет снизить затраты на построение двумерных ЦАР и в конечном счете делает их реализуемыми.

Для реализации ортогонального управления каждый из приемопередающих модулей (ППМ) составляющих ЦАР должен иметь два независимых входа управления каждый из которых должен обеспечивать возможность цифрового диаграммообразования (ЦЦО). Упрощенная структурная схема двумерной ЦАР с ортогональным управлением ДНА по координатам приведена на рисунке Фиг. 3.

Известные конструкции НИМ для ЦАР имеют, как правило, единственный вход управления, поэтому задача состоит во введении в существующие модули дополнительного входа управления, что, конечно, усложняет отдельный ППМ, но позволяет упростить систему управления и в конечном счете всю ЦАР.

Известны приемо-передающие модули для АФАР (Mimix Broadband [1]), активная фазированная антенная решетка с широкоугольным сканированием (Патент РФ №126200 [2]), а также преобразовательный приемопередающий модуль ЦАР (Патент на изобретение №2611600 [3], которые являются близкими аналогами к заявленному техническому решению. В известных изобретениях [1], [2] используются два раздельных преобразователя частоты для передающего и приемного каналов, что усложняет конструкцию модуля, снижает его надежность и требует большого количества связей в системе распределения каналов ЦАР. Изобретение [3] - преобразовательный приемопередающий модуль (далее - ПППМ) ЦАР использует совмещенный (реверсивный) преобразователь для передающего и приемного каналов, что упрощает модуль и уменьшает влияние температурных нестабильностей на характеристики (расфокусировку) ЦАР. По указанным причинам изобретение [3] выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является введение в ПППМ дополнительного (второго) канала управления при минимальном усложнении конструкции модуля, обеспечении температурной стабильности, надежности, уменьшение количества связей в распределительных системах, упрощения системы управления и всей ЦАР.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков являются: получение дополнительного (второго) канала управления ПППМ, обеспечение температурной стабильности, надежности, уменьшение количества связей в распределительных системах, упрощения системы управления и всей ЦАР.

Для достижения поставленных целей, представлено три варианта исполнения преобразовательного приемопередающего модуля цифровой антенной решетки с ортогональным управлением.

1. При первом варианте, для достижения поставленных целей преобразовательный приемопередающий модуль цифровой антенной решетки с ортогональным управлением, содержит передающий канал с последовательно соединенными двунаправленным (реверсивным) преобразователем частоты, на который поступает сигнал гетеродина, выход-вход преобразователя подключен к первому плечу переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе, второе плечо циркулятора соединено с входом усилителя мощности, выход которого подключен к первому плечу второго переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе, второе плечо которого подключено к выходу-входу модуля и приемный канал с последовательно соединенным вторым переключателем передача-прием на ферритовом циркуляторе, третье плечо которого подключено к входу малошумящего усилителя, выход которого соединен с третьим плечом первого циркулятора первое плечо которого подключено к входу-выходу преобразователя частоты, между выходом-входом двунаправленного (реверсивного) преобразователя частоты и первым плечом первого переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе включен дополнительно введенный двунаправленный (реверсивный) преобразователь частоты.

2. Во втором варианте, преобразовательный приемопередающий модуль цифровой антенной решетки с ортогональным управлением выполнен многоканальным, в котором встроен многоканальный сумматор-делитель мощности, включенный между выходом-входом двунаправленного (реверсивного) преобразователя частоты и первым плечом первого переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе каждого из приемопередающий каналов.

3. В третьем варианте, многоканальный приемопередающий модуль цифровой антенной решетки с ортогональным управлением выполнен с дополнительным каналом управления, для чего между входами-выходами многоканального сумматора-делителя мощности и первым плечом первого переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе каждого из приемопередающий каналов включен двунаправленный (реверсивный) управляемый фазовращатель.

Сущность изобретения поясняется структурными схемами.

На рисунке Фиг. 4 изображена структурная схема одноканального преобразовательного приемопередающего модуля цифровой антенной решетки с ортогональным управлением (Вариант первый), которая состоит из: двунаправленного (реверсивного) преобразователя частоты 1, первого ферритового переключателя передача-прием 2, усилителя мощности 3, второго ферритового переключателя передача-прием 4, малошумящего усилителя 5, второго двунаправленного (реверсивного) преобразователя частоты 6.

Сущность работы одноканального преобразовательного приемопередающего модуля цифровой антенной решетки с ортогональным управлением (Фиг. 4) заключается в том, что в режиме на передачу импульсный зондирующий сигнал на первой промежуточной частоте (ПЧ1), сформированный в цифроаналоговом преобразователе первого блока цифрового диаграммообразования (БЦД01) и содержащий фазу, необходимую для управления ДНА по одной координате, и сигнал гетеродина поступают на преобразователь частоты 1, где переносится в диапазон СВЧ на поднесущую частоту и поступает на второй преобразователь частоты 6 на второй вход которого поступает сигнал на второй промежуточной частоте (ПЧ2), сформированный в цифроаналоговом преобразователе второго блока цифрового диаграммообразования (БЦД02) и содержащий фазу, необходимую для управления ДНА по второй координате, а затем пройдя первый ферритовый переключатель передача-прием 2, передается на усилитель мощности 3. Усиленный сигнал СВЧ через второй ферритовый переключатель передача-прием 4, передается на излучатель антенны.

При работе на прием СВЧ сигналы, отраженные от целей, с излучателя антенны поступают на второй ферритовый переключатель передача-прием 4 и далее на малошумящий усилитель 5, в котором происходит усиление сигнала СВЧ с малым коэффициентом шума. После этого, пройдя через второй ферритовый переключатель передача-прием 2 СВЧ сигнал поступает на преобразователь частоты 6, где смешивается с сигналом второй промежуточной частоты (ПЧ2), сформированный в цифроаналоговом преобразователе второго блока цифрового диаграммообразования (БЦД02) и преобразуется в сигнал поднесущей частоты, поступающий на преобразователь частоты 1, в котором смешивается с сигналом гетеродина и преобразуется в сигнал первой промежуточной частоты и далее передается на аналого-цифровой преобразователь первого блока цифрового диаграммообразования, в котором производится цифровая обработка сигналов.

Все составляющие одноканального преобразовательного приемопередающего модуля цифровой антенной решетки с ортогональным управлением, кроме преобразователей частоты, составляют приемопередающий канал (ППК).

На рисунке Фиг. 5 изображена структурная схема многоканального преобразовательного приемопередающего модуля цифровой антенной решетки с ортогональным двухуровневым управлением (Вариант третий), которая состоит из: двунаправленного (реверсивного) преобразователя частоты 1, второго двунаправленного (реверсивного) преобразователя частоты 6, сумматора-делителя мощности сигнала 7, первого управляемого приемопередающего канала (УППК1), содержащего первый приемопередающий канал (ППК1) 9, подключенный к входу-выходу сумматора-делителя мощности сигнала 7 через двунаправленный (реверсивный) управляемый фазовращатель 8, второго управляемого приемопередающего канала (УППК2) 10, и т.д. до m-ого управляемого приемопередающего канала (УГТПК m) т+8.

Сущность работы многоканального преобразовательного приемопередающего модуля (МППГТМ) цифровой антенной решетки с ортогональным двухуровневым управлением аналогична работе вышеописанного одноканального преобразовательного приемопередающего модуля. С разницей в том, что приемопередающие каналы являются управляемыми, что обеспечивает первый уровень управления диаграммой направленности модуля (подрешетки). Сигнал на/от входы/выходов каждого управляемого приемопередающего канала (УППК 1, УПГЖ 2 10, …, УГШК m m+8) поступает с/на выходов/входы многоканального сумматора-делителя мощности сигнала 7, входящего в состав многоканального модуля и своим общим входом/выходом подключенного к двунаправленному (реверсивному) преобразователю частоты 6.

Многоканальный преобразовательный приемопередающий модуль (МПППМ) цифровой антенной решетки с ортогональным двухуровневым управлением по своим функциональным возможностям может выполнять функции подрешетки и позволяет строить модульные ЦАР различных размеров и функциональных возможностей.

При этом в состав ЦАР должен быть введен многоканальный синфазный делитель мощности гетеродина с числом выходов соответствующим количеству входящих в состав ЦАР ПППМ (Фиг. 6) или МПППМ (Фиг. 7).

Таким образом, предлагаемые варианты преобразовательного приемопередающего модуля цифровой антенной решетки с ортогональным и ортогональным двухуровневым управлением, обеспечивают модульное построение ЦАР, применение общих элементов для передачи и приема сигналов в ЦАР, позволяет снизить массу и повысить температурную стабильность модуля, наличие ортогонального и двухуровневого управления уменьшает количество требуемых каналов цифрового управления при сохранении широких возможностей по адаптации и оптимизации ДНА, высокой точности цифрового диаграммообразования, уменьшает количество связей в распределительных системах, упрощает систему управления и всю ЦАР.

Данное изобретение относится к радиотехнике, в частности к преобразовательным приемопередающим модулям (ПППМ), и может быть использовано в радиолокации и системах связи для работы в составе цифровых антенных решеток (ЦАР) с применением технологий цифрового диаграммообразования на передачу и прием и методов цифровой обработки сигналов. Технический результат заключается в упрощении конструкции и обеспечении реализуемости системы цифрового диаграммообразования двумерных ЦАР, повышении надежности и уменьшении количества связей в распределительных системах ЦАР. Структура модулей обеспечивает раздельное по координатам управление диаграммой направленности антенны. Задача оптимизации управления двумерной ЦАР от двумерной сводится к двум одномерным, что снижает количество оптимизируемых параметров (степеней свободы), уменьшает необходимое количество каналов цифрового диаграммообразования и позволяет решать задачи адаптации и оптимизации многоэлементных ЦАР в реальном масштабе времени. Для реализации поставленных целей представлено три варианта исполнения преобразовательного приемопередающего модуля цифровой антенной решетки с ортогональным управлением. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Преобразовательный приемопередающий модуль цифровой антенной решетки с ортогональным управлением, содержащий передающий канал с последовательно соединенными двунаправленным (реверсивным) преобразователем частоты, на который поступает сигнал гетеродина, выход-вход преобразователя подключен к первому плечу переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе, второе плечо циркулятора соединено с входом усилителя мощности, выход которого подключен к третьему плечу второго переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе, первое плечо которого подключено к выходу-входу модуля, и приемный канал с последовательно соединенным вторым переключателем передача-прием на ферритовом циркуляторе, второе плечо которого подключено к входу малошумящего усилителя, выход которого соединен с третьим плечом первого циркулятора, первое плечо которого подключено к входу-выходу преобразователя частоты, отличающийся тем, что между выходом-входом двунаправленного (реверсивного) преобразователя частоты и первым плечом первого переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе включен второй дополнительно введенный двунаправленный (реверсивный) преобразователь частоты.

2. Преобразовательный приемопередающий модуль цифровой антенной решетки с ортогональным управлением по п. 1, отличающийся тем, что модуль выполнен многоканальным, в котором встроен многоканальный сумматор-делитель мощности, включенный между выходом-входом второго двунаправленного (реверсивного) преобразователя частоты и первым плечом первого переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе каждого из приемопередающих каналов.

3. Многоканальный приемопередающий модуль цифровой антенной решетки с ортогональным управлением по п. 2, отличающийся тем, что в каждый приемопередающий канал между первым плечом первого переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе и соответствующим входом-выходом многоканального сумматора-делителя мощности включен двунаправленный (реверсивный) фазовращатель.