Двухкомпонентная плоская пассивная фазированная антенная решетка с коррекцией характеристик Российский патент 2023 года по МПК H01Q21/00 

Предлагаемое устройство относится к радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС), в частности, в РЛС обнаружения наземных целей.

Известно, что в плоских пассивных фазированных антенных решетках (ФАР) с электронным сканированием луча важно, чтобы в процессе движения луча коэффициент направленного действия (КНД) антенны оставался максимальным. Поэтому условие максимума КНД в заданных направлениях является законом, по которому должны изменяться амплитуды и фазы токов в излучателях. Однако, сектора сканирования в плоских пассивных ФАР ограничены величиной сектора (обычно 60-90 градусов), в пределах которой основные характеристики антенны, включая КНД, остаются в пределах заданных величин. В реальных ФАР распределение фаз отличается от плоского, но это отличие не очень велико в том смысле, что диаграмма направленности решетки еще не рассыпается, а продолжает иметь свою вполне определенную форму, то есть иметь главный максимум и боковые лепестки, уровень которых существенно меньше уровня главного луча. Такая ситуация возможна в том случае, когда распределение фаз токов в излучателях отклоняется от плоского фазового фронта не более чем на 30-45 градусов (О.Г. Вендик, М.Д. Парнес, под ред. Л.Д. Бахраха «Антенны с электрическим сканированием», Санкт-Петербург, 2001.).

Теоретический расчет и практическая реализация оптимальной плоской ФАР представляют собой значительную трудность, так как зависимость КНД от отклонения максимума диаграммы направленности (ДН) от нормали к плоскости решетки носит приближенный характер и особенно низкую точность для малых относительных размеров решеток, применяемых в переносных РЛС («Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток»: Учеб. пособие для вузов / Д.И. Воскресенский, В.И. Степаненко, B.C. Филиппов и др. Под ред. Д.И. Воскресенского. 3-е изд., доп.и перераб. - М.: Радиотехника, 2003. - 632 с.).

Плоские пассивные двухкомпонентные ФАР применяются в РЛС «Сова» («Радиолокационная станция охраны объектов «Сова». Патент на изобретение RU 2669383, МПК G01S 13/04, опубл. 2018 г. и в радиолокаторе «STS-177» (Радиолокатор STS-177. Патент на полезную модель RU 155321, МПК G01S 13/00, опубл. 2015 г.), однако они не содержат устройств, корректирующих характеристики ФАР на краях сектора обзора, из-за чего КНД антенн в этих положениях луча значительно ухудшаются. Предлагаемое устройство позволяет увеличить КНД плоской ФАР на краях сектора сканирования путем синхронного управления СВЧ-аттенюаторами в крайних положениях луча величиной входного сигнала, поступающего с передатчика, и величиной сигнала, поступающего с приемной антенны на вход приемника.

Известны адаптивные или самонастраивающиеся антенны, характеристики которых оптимизируются в процессе работы к внешним условиям. Основная цель таких антенн - формирование глубоких провалов в ДН с направлений прихода мощных мешающих отражений. При этом утверждается, что в отсутствии мешающих отражений конструкция ФАР обеспечивает получение заданной ДН, что на самом деле выполняется далеко не всегда из-за того, что фазовый фронт в антенне будет неплоским (Пистолькорс А.А., Литвинов О.С. «Введение в теорию адаптивных антенн» М.: Наука, 1991 г. 200 с.).

Недостатком известных адаптивных антенн является то, что они адаптируются к внешним условиям и воздействиям, при этом не учитывают внутренние разбросы в характеристиках ФАР.

Известно «Устройство коррекции межканального рассогласования приемных каналов в цифровой ФАР, патент на полезную модель RU 60272, МКИ H01Q 3/26 опубл. 2007 г., авторы Григорьев Л.Н., Мелентьева О.Н., в котором коррекция характеристик антенны осуществляется за счет применения цифрового коммутатора, весовых коэффициентов и генератора шумового пилот - сигнала.

Недостатками указаного устройства является: сложность, так как коррекция характерстик осуществляется устройствами за пределами антенны, неозможность применения этого технического решения аналоговых ФАР; коррекция межканального рассогласования может осуществляться только в период «молчания» РЛС во время ее функционального контроля.

Отличиями предлагаемого устройства является более широкие функциональные возможности, заключающиеся в применении как в цифровых, так и в аналоговых ФАР, а также в том, что коррекция КНД осуществляется непрерывно в штатном режиме работы РЛС непосредственно как в передающей, так и в приемной антеннах.

Известен «Способ и устройство для калибровки приемо-передающей активной фазированной антенной решетки», патент на изобретение RU 2647514, МКИ H01Q 21/00, опубл. 2018 г., авторы Шишов Ю.А. и др. Способ калибровки активной ФАР, в котором для калибровки приемных каналов приемно-передающих модулей на их входы подают контрольный сигнал, на основе сравнения амплитуд и фаз выходных сигналов приемных каналов калибруемых модулей с амплитудой и фазой выходного сигнала приемного канала опорного приемно-передающего модуля формируют корректирующие сигналы, которые используют для регулировки комплексных коэффициентов передачи приемных каналов калибруемых приемно-передающих модулей. Данный способ калибровки может быть использован только для активных ФАР и не может применяться для пассивных ФАР.

Известны «Способ и устройство для электронного управления диаграммой направленности фазированной антенной решетки», описанные в патенте US 3806930, МКИ Н04В 7/00, опубл. 1974 г. Предложенные способ и устройство предназначены для управления ДН антенны с ФАР в одном, двух или трех измерениях, в которых антенна с фазированной антенной решеткой содержит множество отдельных излучателей, каждый из которых имеет фазовращатель, который может регулироваться специальными значениями сопротивления, подаваемыми управляющим постоянным напряжением. Устройство заявлено как мера противодействия помехам, включая обнаружение и мониторинг помех с помощью мер противодействия при передаче и/или приеме сигнала помехи, например, прекращение работы передатчика или приемника, обнуление или увеличение передаваемой мощности в направлении или на частоте помехи.

Недостатком способа и устройства являются то, что управление осуществляется только при наличии внешнего воздействия (помехи) и служит для ее подавления. Другим недостатком является невозможность приема полезных сигналов от целей при подавлении помехи в этих же угловых направлениях.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является «Антенная решетка с ограниченным сектором сканирования», описанная в патенте US 3858221, МКИ H01G 1/48, опубл. 1974 г. Антенная решетка имеет почти одинаковое усиление везде в пределах углов, в которых она может управляться электронным способом. При этом характеристики решетки регулируются для обеспечения относительно высокого и равномерного усиления в диапазоне углов сканирования и низких боковых лепестков путем управления связью электромагнитной энергии между элементами антенны решетки. Техническое решение обеспечивает неравномерность коэффициента направленного действия (коэффициента усиления) решетки не хуже ± 0,5 дБ в пределах секторов сканирования ± 15 градусов от ее оси.

Сходными существенными признаками устройства, описанного в патенте, и предлагаемого устройства являются: плоская антенная решетка, фазовращатели, равномерное усиление для ограниченных углов сканирования, электронный способ управления сканированием, регулировка характеристик решетки.

Недостатком предложенного решения является узкий сектор сканирования, в пределах которого достигается регулировка усиления ФАР - не более ± 15 градусов от оси. Известно, что в пределах указанного сектора добиться равномерного усиления можно различными способами, включая и заявленный. Но за пределами этого сектора в современных плоских пассивных ФАР, имеющих сектор сканирования, как правило, ± 45 градусов, предложенный метод, как следует из описания предмета изобретения, не дает положительных результатов. Это известно из теории ФАР, так как корректировками амплитудно-фазового распределения поля по плоскости решетки можно добиться оптимальных результатов только в пределах достаточно узких углов сканирования.

Целью настоящего изобретения является расширения функциональных возможностей двухкомпонентной плоской пассивной фазированной антенной решетки для увеличения ее коэффициента направленного действия за пределами ограниченных углов сканирования.

Эта цель достигнута в предложенной «Двухкомпонентной плоской пассивной фазированной антенной решетке с коррекцией характеристик», которая содержит передающую и приемную антенны с излучателями и фазовращателями, имеющими равномерное усиление для ограниченных углов сканирования, в которой между каждым фазовращателем приемной антенны и каждым ее излучателем установлены первые управляемые СВЧ-аттенюаторы, а в передающей антенне установлен второй управляемый СВЧ-аттенюатор, осуществляющие коррекцию характеристик решетки. Входной сигнал на передающую антенну регулируется (уменьшается) в положениях луча, близких к нормали к плоскости антенны и увеличивается в положениях луча близких к краям сектора сканирования с помощью управляющего сигнала, подаваемого на второй управляемый СВЧ-аттенюатор передающей антенны. Управляющий сигнал второго управляемого СВЧ-аттенюатора синхронизирован по времени с управляющими сигналами, подаваемыми на фазовращатели передающей антенны. Входной сигнал от целей, поступающий на приемную антенну увеличивается в положениях луча близких к краям сектора сканирования с помощью управляющего сигнала, подаваемого на первые управляемые СВЧ-аттенюаторы приемной антенны. Управляющий сигнал второго управляемого СВЧ-аттенюатора синхронизирован по времени с управляющими сигналами, подаваемыми на первые управляемые СВЧ-аттенюаторы приемной антенны. Увеличение входного сигнала, поступающего на передающую антенну, и увеличение сигналов, отраженных от целей, поступающих на приемную антенну в положениях луча на краях сектора сканирования, выполняются равными снижению коэффициента направленного действия передающей и приемной антенн решетки в этих положениях луча.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, на которых изображено следующее.

На фиг. 1 приведена схема сканирования плоской двухантенной решетки, где введены обозначения: плоская двухантенная решетка - 1, сектор сканирования - 2, нормаль к плоскости решетки - 3, ДН передающей антенны - 4, ДН приемной антенны - 5.

На фиг. 2 приведена структурная схема плоской двухантенной решетки, где введены обозначения: приемная антенна с М излучателями - 6, передающая антенна с N - излучателями - 7, первые управляемые СВЧ-аттенюаторы приемной антенны - 8, фазовращатели приемной антенны - 9, фазовращатели передающей антенны - 10, СВЧ-сумматор - 11, СВЧ-делитель - 12, второй управляемый СВЧ-аттенюатор передающей антенны - 13. Пунктирная линия на фиг. 2 означает, что приемная антенна 6 и передающая антенна 7 находятся в одной плоскости.

Предлагаемая двухкомпонентная плоская пассивная фазированная антенная решетка с коррекцией характеристик состоит из двух антенн - передающей 7 и приемной 6, выполненных в едином конструктиве (например, как плоская полосовая ФАР), при этом передающая антенна 7 содержит N излучателей и такое же количество фазовращателей 10, а приемная антенна 6 содержит М излучателей и такое же количество фазовращателей 8, при этом N≤М. При этом условии ДН передающей антенны имеет большую ширину, чем ДН приемной антенны. ДН приемной антенны более узкая, так как именно она является измерительной, то есть определяющей точность определения угловых координат. С помощью подачи управляющих сигналов на фазовращатели, лучи (ДН) антенн синхронно сканируют в пределах заданного сектора сканирования (60-90 градусов). Схема сканирования плоской двухантенной решетки показана на фиг. 1, а на фиг. 2 показана структурная схема плоской двухантенной решетки.

При подаче на фазовращатели 10 передающей антенны 7 сигналов управления, соответствующих положению ДН, близкому к нормали, второй управляемый СВЧ-аттенюатор 13 передающей антенны имеет коэффициент затухания К1. Первые управляемые СВЧ-аттенюаторы 8 приемной антенны при этом имеют коэффициент затухания К2. По мере отклонения лучей передающей и приемной антенн от нормального положения аттенюаторы 8 и 13 синхронно открываются, тем самым увеличивая сигналы, поступающие от передатчика и на приемник. Коэффициент увеличения сигналов (снижение затухания аттенюаторов К3 и К4 соответственно) при этом равен коэффициенту снижения КНД антенн.

Коррекция характеристик плоской двухантенной решетки при этом производится в два этапа, совмещенных по времени. На первом этапе второй управляемый СВЧ-аттенюатор 13 увеличивает мощность излучаемого в пространство передающей антенной СВЧ-сигнала по мере приближения луча передающей антенны к краю сектора сканирования. На втором этапе первые управляемые СВЧ-аттенюаторы 8 приемного канала для излучателей приемной антенны, формирующих ее ДН, находящиеся в пределах соответствующей ДН приемной антенны открываются, увеличивая тем самым сигналы, поступающие на приемник.

Преимущества заявляемого устройства заключаются в возможности корректировать КНД двухкомпонентной плоской пассивной фазированной антенной решетки (и соответственно ее коэффициента усиления) по мере приближения лучей передающей и приемной антенн к краям сектора сканирования. Тем самым компенсируются потери в плоской двухантенной решетке, возникающие из-за неоптимального распределения амплитуды и фазы токов в излучателях.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к пассивным фазированным антенным решеткам для радиолокационных станций обнаружения наземных целей. Технический результат - коррекция коэффициента направленного действия антенной решетки по мере приближения лучей передающей и приемной антенн к краям сектора сканирования. Результат достигается тем, что предложена двухкомпонентная плоская пассивная фазированная антенная решетка с коррекцией характеристик, содержащая передающую и приемную антенны с излучателями и фазовращателями, имеющая равномерное усиление для ограниченных углов сканирования, в которой с целью расширения функциональных возможностей для увеличения ее коэффициента направленного действия за пределами ограниченных углов сканирования между каждым фазовращателем приемной антенны и каждым ее излучателем установлены первые управляемые СВЧ-аттенюаторы, а в передающей антенне установлен второй управляемый СВЧ-аттенюатор, осуществляющие коррекцию характеристик решетки. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двухкомпонентная плоская пассивная фазированная антенная решетка с коррекцией характеристик, содержащая передающую и приемную антенны с излучателями и фазовращателями, имеющая равномерное усиление для ограниченных углов сканирования, в которой с целью расширения функциональных возможностей для увеличения ее коэффициента направленного действия за пределами ограниченных углов сканирования между каждым фазовращателем приемной антенны и каждым ее излучателем установлены первые управляемые СВЧ-аттенюаторы, а в передающей антенне установлен второй управляемый СВЧ-аттенюатор, осуществляющие коррекцию характеристик решетки.

2. Двухкомпонентная плоская пассивная фазированная антенная решетка с коррекцией характеристик по п. 1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью регулировки входного сигнала на передающую антенну с помощью управляющего сигнала, подаваемого на второй управляемый СВЧ-аттенюатор передающей антенны, а именно: уменьшения в положениях луча, близких к нормали к плоскости антенны, и увеличения в положениях луча, близких к краям сектора сканирования.

3. Двухкомпонентная плоская пассивная фазированная антенная решетка с коррекцией характеристик по п. 1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью синхронизации по времени управляющего сигнала второго управляемого СВЧ-аттенюатора с управляющими сигналами, подаваемыми на фазовращатели передающей антенны.

4. Двухкомпонентная плоская пассивная фазированная антенная решетка с коррекцией характеристик по п. 1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью увеличения входного сигнала от целей, поступающего на приемную антенну, в положениях луча, близких к краям сектора сканирования, с помощью управляющего сигнала, подаваемого на первые управляемые СВЧ-аттенюаторы приемной антенны.

5. Двухкомпонентная плоская пассивная фазированная антенная решетка с коррекцией характеристик по п. 1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью синхронизации по времени управляющего сигнала второго управляемого СВЧ-аттенюатора с управляющими сигналами, подаваемыми на первые управляемые СВЧ-аттенюаторы приемной антенны.

6. Двухкомпонентная плоская пассивная фазированная антенная решетка с коррекцией характеристик по п. 1, отличающаяся возможностью выполнения увеличения входного сигнала, поступающего на передающую антенну, и увеличения сигналов, отраженных от целей, поступающих на приемную антенну в положениях луча на краях сектора сканирования, равными снижению коэффициента направленного действия передающей и приемной антенн решетки в этих положениях луча.