Устройство управления положением луча фазированной антенной решетки Советский патент 1992 года по МПК H01Q21/00 H01Q3/26 

JL JL Ј

Использование1 в антенной технике для повышения точности фазирования. Сущность изобретения: устройство содержит N каналов 1, смесители 2. излучатели 3, блок управления 4, кварцевый генератор 5, сумматор мощности 6, управляемый усилитель постоянного тока 7, первый 8 и второй 12 формирователи прямоугольных импульсов, формирователь линейно-нарастающего напряжения 9, делитель напряжения 10, выполненный в виде последовательной цепочки резисторов, компаратор 11, преобразователь импульсов в синусоидальное напряжение 13. 4 ил.

(Л

С

Х|

,

00 VI СО СП

Изобретение относится к антенной технике, в частности к активным фазированным антенным решеткам (ФАР).

Управление положением луча ФАР осуществляется формированием прогрессивного фазового сдвига сигналов от излучателя к излучателю.

Известны способы и устройства управления положением луча ФАР с использованием фазовращателей СВЧ, количество которых не менее числа излучателей.

Недостатки таких устройств: сложность изготовления, ограниченный сектор сканирования, низкая точность фазирования и, следовательно, установки луча в требуемом направлении, что приводит к необходимости расширять основной лепесток (луч) диаграммы направленности.

В ряде устройств управления положением луча ФАР число фазовращателей сокращается в несколько раз, что для многоэлёментных ФАР является важным, но не устраняет отмеченные выше недостатки.

Известны также устройства управления положением луча ФАР с использованием метода гетеродирования, при котором формирование прогрессивного фазового сдвига осуществляется на пониженной (промежуточной) частоте.

Достоинства таких устройств: исключение фазовращателей СВЧ,

Недостатки: ограниченный сектор сканирования, низкая точность фазирования из-за большего числа фазосдвигающих элементов, работа только на прием.

Близким и базовым техническим решением для предлагаемого изобретения является устройство управления положением луча ФАР, содержащее блок управления, сумматор мощности, первый и второй кварцевые генераторы, N каналов, каждый из которых (кроме первого) состоит из последовательно соединенных излучателя, первого, второго и третьего смесителей, управляемый фазовращатель, четвертый и пятый смесители.

Первые входы 4-го и 5-го смесителей соединены с выходом 2-го кварцевого генератора. Выход 1-го кварцевого генератора соединен с гетеродинным входом 1-го смесителя 1 -го канала, входом фазовращателя и вторым входом 4-го смесителя, а выход фазовращателя соединен с гетеродинным входом 1-го смесителя 2-го канала, сигнальным входом смесителя 3-го канала и 2-м входом 5-го смесителя, выход которого соединен с гетеродинными входами 3-х смесителей всех каналов, начиная с третьего. Выход 4-го смесителя соединен с сигнальными входами вторых смесителей всех каналов.

Достоинства базового устройства: сканирование луча в обе стороны от нормали к

апертуре ФАР, исключение СВЧ фазовращателей и снижение числа низкочастотных фазосдвигающих элементов до одного, работа и на прием, и на передачу.

Недостатки базового устройства: большое число смесителей Nc (2(Nn-2)+2), где Nn - число излучателей, низкая точность фазирования, обусловленная большим числом полосовых фильтров (нагрузок смесителей) с резонансными частотами fi, fs, fi-fa, fi +

+f2, 2fi-f2HT.fl.

При малейшем уходе частоты настройки любого из фильтров от требуемого значения появляется дополнительный фазовый сдвиг сигнала на выходе соответствующего смесителя, что объясняется следующим образом. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) фильтра имеет колоколообразную форму, а фазочастотная характеристика (ФЧХ) представляется в виде зависимости

р -arctg Ј, где Ј - обобщенная расстройка фильтра. Для простейшего фильтра она равна: Ј 20Д f/fp, где Q - добротность; f - абсолютная расстройка: fp - резонансная частота фильтра.

Получаемые дополнительные изменения фазы и амплитуды возрастают с ростом крутизны ФЧХ и уменьшением полосы пропускания при той же расстройке фильтра. В целом суммарная погрешность установки

фазы на выходе 1-го смесителя в канале равна:

5у п- 5рп-1 40

i 1

(д(рп -dpn-t.i) + д(Ръс,

где п - номер канала;

I - номер смесителя; 4с, 5с - 4-й и 5-й смесители устройства.

Таким образом, общим для всех известных устройств управления положением луча ФАР недостатком является низкая точность фазирования.

Цель изобретения - повышение точности фазирования.

Положительный эффект заявляемого устройства состоит в повышении точности фазирования и, следовательно, точности установки луча ФАР в требуемое направление, что особенно важно для ФАР с узким (в несколько градусов) главным лепестком диаграммы направленности.

Дополнительный положительный эффект заключается в существенном упрощении устройства в целом.

Устройство содержит блок управления, кварцевый генератор, N каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных излучателя ФАР и смесителя.

Для достижения цели в него введены: последовательно соединенные формирователь линейно-нарастающего напряжения (ФЛНН) и первый формирователь прямоугольных импульсов (ФПИ), вход которого подключен к выходу кварцевого генератора (КГ); последовательно соединенные управляемый усилитель постоянного тока (УПТ) п делитель напряжения (ДН), второй вход которого подключен ко второму выходу управляемого УПТ. управляющий вход которого подключен к выходу блока управления. В каждый канал введены последовательно соединенные компаратор, второй ФПИ преобразователь импульсов в синусоидальное напряжение (ПИСН), выход которого соединен с гетеродинным входом смесителя. Выходы делителя напряжения соединены с первым входом соответствующего компаратора, второй вход которого подключен к выходу ФЛНН. Третий вход компаратора является пороговым. При этом делитель напряжения выполнен в виде последовательной цепочки резисторов.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства управления положением луча ФАР (для описания и БИ); на фиг. 2 - вариант конкретного выполнения делителя напряжения; на фиг. 3 - изменения амплитудно-фазового распределения; на фиг. 4 - эпюры сигналов на выходах основных элементов устройства.

Устройство содержит блок 4 управления, кварцевый генератор 5, N каналов 1, каждый из которых состоит из последовательно соединенных излучателя 3 ФАР, смесителя 2, компаратора 11. второго формирователя 12 прямоугольных импульсов, преобразователя 13 импульсов в синусоидальное напряжение, сумматор 6 мощности, последовательно соединенные формирователь 9 линейно-нарастающего напряжения и первый формирователь 8 прямоугольных импульсов, последовательно соединенные управляемый усилитель 7 постоянного тока и делитель 10 напряжения, а также соответствующие связи между элементами устройства.

Устройство управления положением луча ФАР работает следующим образом.

В режиме приема принимается излучателями 3, причем фазовые сдвиги между токами в каждой пэре соседних излучателей 3 определяются направлением прихода сигнала. От излучателя 3 парциальные сигналы в каждом канале 1 поступают на смеситель 2. в котором частота сигнала (ко- 5 лебанчй) понижается до промежуточной fnp, а затем мощности парциальных сигналов суммируются в сумматоре б мощности с учетом фазовых сдвигов. На гетеродинные входы всех смесителей 2 поступают синусо- 10 идальные напряжения с одинаковой частотой и с прогрессивно нарастающей фазой от излучателя к излучателю (разность фаз между соседними излучателями равна Ду , 30 на фиг. 4).

15 Величина устанавливается в зависимости от направления приема сигнала по команде с блока 4 управления.

Рассмотрим процесс формирования требуемых фазовых сдвигов.

0Тактовые высокостабильные колебания

25 с периодом То подаются с кварцевого генератора 5 на вход первого ФПИ 8, где преобразуются в импульсы длительностью То. Полученные импульсы в ФЛНН 9 пре5 образуются в линейно-нарастающее напряжение 28, подаваемое на вторые входы компараторов 11 всех каналов.

В отсутствие управляющего сигнала на выходе блока 4 управления напряжение на

0 входах делителя 10 напряжения (в силу симметричности выходов управляемого УПТ 7) равно нулю. Ток в делителе 10 напряжения в этом случае отсутствует, и парциальные напряжения на выходах делителя 10 напря5 жения равны нулю. На все компараторы 11 действуют одинаковые напряжения: сумма линейно-нарастающего 28 и порогового 27. Момент переброса компаратора 11 из состояния О в состояние 1 в каждый пери0 од тактовых колебаний во всех каналах имеет одинаковый сдвиг от начала периода: Г0 То/2. На выходах всех вторых формирователей 12 прямоугольных импульсов формируются последовательности импуль5 сов 29 с одинаковым сдвигом г0 по отношению к тактовым колебаниям 25 кварцевого генератора 5. Таким образом, синусоидальные колебания 30 с выходов ПИСН 13 поступают на гетеродинные входы

0 смесителей 2 с одинаковыми фазами.

При подаче управляющего сигнала с выхода блока 4 управления на вход управляемого УПТ 7 в делителе 10 напряжения 5 появляется ток, направление которого зависит от знака управляющего сигнала. Этот ток в каждом элементе делитяля 10 напряжения создает одинаковые парциальные напряжения AUynp26, которые поступают

на первые входы компараторов 11, симметрично относительно центрального канала, на первом входе компаратора 11 которого потенциал не меняется.

Допустим, что ток в делителе 10 напряжения протекает слева направо. Тогда парциальные напряжения на выходах делителя

10относительно центрального будут равны: 2 AUynp, Л Uynp, 0, - Д Uynp, -2Д Uynp.

Отличия в полученных парциальных напряжениях, суммирующихся с пороговым 27и с линейно-Нарастающим 28 напряжениями, приводят к изменениям задержки моментов переброса канальных компараторов

11из одного состояния в другое. Эти задержки для приведенного примера соответственно равны: 2 г. т , 0, т ,-2 т .В результате синусоидальные напряжения 30 на выходах ПИСН 13 в каналах 1 будут иметь фазовые сдвиги, соответственно: 2 а); Д/9 Т Ш;0;- Ду -т ш ;-2Д -2гсо;

При изменении величины тока в делителе 10 напряжения изменяются пропорционально и величины фазовых сдвигов.

Управление значениями AUynp и, следовательно, задержками и фазовыми сдвигами Д0 возможно аналоговым и цифровым способами.

Работа устройства в режиме передачи осуществляется аналогично рассмотренной. Отличие состоит в том, что сумматор 6 мощности в этом случае превращается в делитель мощности, а смеситель 2 не понижает, а увеличивает (fnp + fret) частоту.

Все элементы устройства являются стандартными.

Существенным элементом в предлагаемом устройстве для достижения поставленной цели является делитель 10 напряжения, создающий парциальные управляющие напряжения Uynp, пропорциональные величине приращения Д Uynp. с коэффициентом пропорциональности, равном номеру канала.

Делитель 10 напряжения, вариант конкретного выполнения которого представлен на фиг. 2, содержит последовательно соединенные основные резисторы 14, каждый из которых запараллелен корректирующим резистором 15, конденсаторы 16 защиты делителя 10 напряжения от высокочастотных помех.

Делитель 10 напряжения работает следующим образом. При отсутствии на входе управляемого УПТ 7 управляющего сигнала напряжения на симметричных выходах (на фильтрах 17} УПТ 7 равны по величине и противоположны по знаку. Выходное напряжение УПТ 7 в целом равно нулю. Ток в делителе 10 отсутствует. Напряжения на выходах делителя 10 равны нулю. При появлении управляющего сигнала на входе УПТ 7

напряжения на его фильтрах 17 будут отличаться на величину, пропорциональную величине управляющего сигнала. Суммарное напряжение на выходе УПТ 7 будет равно этой величине, Знак полученного напряже0 ния и, следовательно, направление тока в делителе 10 напряжения зависят от того, на каком из фильтров 17 напряжение имеет большую величину. Ток в делителе 10 напряжения создает в резисторах 14 и 15 парци5 альные напряжения.

Все выходы, в том числе и центральный выход О, делителя 10 изолированы от корпуса. Напряжения с резисторов делителя 10 подаются на первые входы компаратора

0 11 в каналах относительно центрального выхода делителя 10. Центральный выход его подключен к первому входу компаратора 11 центрального канала 1.

Таким образом, на первые входы компа5 раторов 11 относительно центрального канала 1 подаются парциальные напряжения + п Д Uynp, где п - номер канала относительно центрального с учетом знака.

Резисторы 15 включены в делитель 10

0 напряжения с целью коррекции (выравнивания) значений сопротивлений основных резисторов 14. Конденсаторы 16 предназначены для защиты делителя 10 напряжения от высокочастотных помех, нали5 чие которых может привести к ошибкам фазирования.

Формула изобретения Устройство управления положением луча фазирования антенной решетки (ФАР),

0 содержащее блок управления, кварцевый генератор, N каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных излучателя ФАР и смес ителя, выход которого соединен с соответствующим входом сум5 матора мощности, выход которого является выходом ФАР, отличающееся тем, что, с целью повышения точности фазирования, введены последовательно соединенные формирователь линейно нарастающего

0 напряжения и первый формирователь прямоугольных импульсов, вход которого подключен к выходу кварцевого генератора, последовательно соединенные управляемый усилитель постоянного тока и делитель

5 напряжения, второй вход которого подключен к второму выходу управляемого усилителя постоянного тока, управляющий вход которого подключен к оыходу блока управления, а в каждый канал введены последовательно соединенные компаратор, второй

формирователь прямоугольных импульсов и преобразователь импульсов в синусоидальное напряжение, выход которого соединен с гетеродинным входом смесителя, причем выходы делителя напряжения соединены с первым входом соответствующего компараФм. Ј.

тора, второй вход которого подключен к выходу формирователя линейно нарастающего напряжения, а третий вход компаратора является пороговым, при этом делитель напряжения выполнен в виде последовательной цепочки резисторов.

Ж $ЫХ.

VpCSj

f() % w

i-.- -. - - - Ч- IIHI

& 4V

VpM

f() % w

F

С2С: