Устройство распределенного автофазирования антенной решетки Советский патент 1993 года по МПК H01Q3/26 

о о

Использование: в антенных решетках с электрическим управлением диаграммой направленности для повышения точности формирования фазового распределения в широком диапазоне частот. Сущность изобретения: устройство содержит N каналов, каждый из которых содержит управляемые фазовращатели (1), интеграторы (2), первые блоки вычитания (3), блок управления (4)j фазовые дискриминаторы, (5) с квадратур- Тшми выходами, блок коммутации (6) и второй блок вычитания (7). 1-5-6-3-2-1, 6-4-3,1-5-6-7-3-2-1.1 ил„2табл.

LT-Ч--&

.J.JL ;-, JJ

IT

.J

ю

.Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования в антенных решетках с электрическим сканированием.

Цель изобретения - повышение точности формирования фазового распределения при работе в диапазоне частот.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство распределенного автофазиро- вания антенной решетки, содержащее блок управления, а также N каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных первого блока вычитания, интегратора и управляемого фазовращателя, сигнальный вход которого является входом, а выход - выходом соответствующего канала, выход блока управления через шину управления соединен со вторым входом первого блока вычитания каждого канала, при этом каждый 1-й канал (,2,3,..., N- . - 1) содержит фазовый дискриминатор, первый вход которого соединен с выходом управляемого фазовращателя соответствующего канала, а второй вход фазового дискриминатора первого канала соединен с первым входом фазового дискриминатора второго канала, в каждый 1-й канал введены последовательно соединенные переключатель и управляемый инвертор, управляющие входы которых через шину управления подключены к выходу блока управления, а в каждый 1-й канал, начиная со второго, введен второй блок вычитания, выход и первый вход которого подключены соответственно к выходу первого блока вычитания и к выходу управляемого инвертора соответствующего канала, а второй вход второго блока вычитания соответствующего канала подключен к выходу управляемого инвертора предыдущего канала, при этом первый вход первого блока вычитания первого и N-ro каналов подключен соответственно к выходу управляемого инвертора первого и (N - 1)-го каналов, фазовый дискриминатор снабжен квадратурным выходом, причем квадратурный и синфазный выходы фазового дискриминатора ка.ждого канала соединены соответственное первым и вторым входами переключателя соответствующего канала, а второй вход фазового дискриминатора соответствующего канала, начиная со второго, соединен с выходом управляемого фазовращателя последующего канала.

Указанная совокупность отличительных от прототипа признаков в известных аналогах и других технических решениях ранее не использовалась. В заявляемом устройстве благодаря осуществлению коммутации выходных напряжений фазовых дискриминаторов не наблюдается рост

ошибок фазирования при работе устройства в диапазоне частот. Кроме того, исключение из устройства высокочастотного сумматора и дискретных фазовращателей, которым неминуемо присущи определенные фазовые погрешности, также обеспечивает снижение ошибок при формировании требуемого фазового распределения в апертуре антенной решетки.

На чертеже представлена структурная схема устройства распределенного автофа- зирования антенной решетки.

Устройство содержит в каждом канале управляемый фазовращатель 1, интегратор

2, первый блок вычитания 3, а также общий для всех каналов блок управления 4, Во всех каналах, за исключением N-ro, устройство содержит фазовый дискриминатор 5 и блок коммутации 6. Во всех каналах, за исключением первого и N-ro, устройство содержит второй блок вычитания 7.

Являющийся выходом канала выход управляемого фазовращателя 1 во всех каналах, кроме N-ro, соединен с первым входом

фазового дискриминатора 5, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму выходам блока коммутации 6. Второй вход фазового дискриминатора 5 1-го канала (I 1, 2,.... N - 1)

подключен к выходу О + 1)-го канала. Выход блока коммутации 6 всех каналов, кроме первого, соединен с первым входом второго блока вычитания 7, второй вход которого связан с выходом блока коммутации б предыдущёго канала, а выход - с первым входом первого блока вычитания 3. Выход блока коммутации 6 первого канала соединен с первым входом первого блока вычитания 3. Выход первого блока вычитания 3 в каждом

1-м канале через интегратор 2 соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя 1. В N-м канале первый вход первого блока вычитания 3 подключен к выходу блока коммутации 6 (N - 1)-го канала, а выход через интегратор 2 - к управляющему входу управляемого фазовращателя 1 N-ro канала. Сигнальные входы управляемых фазовращателей являются входами каналов. Выход блока управления 4 через шину управления подключен ко вторым входам первых блоков вычитания 3 и к входам уп-. равления блоков коммутации 6.

Устройство работает следующим образом.

в результате действия контура фазовой автоподстройки, включающего управляемый фазовращатель 1, фазовый дискриминатор 5, блок коммутации 6, первый блок вычитания 3 и интегратор2, фазы выходного

сигнала первого и N-ro каналов подстраиваются соответственно под фазу выходного сигнала второго и (N - 1)-го каналов. В качестве датчика фазовых рассогласований выходных сигналов соседних каналов используются фазовые дискриминаторы 5 с квадратурными выходами, т. е, формирующие напряжения, пропорциональные синусу и косинусу фаз сигналов на выходе соседних каналов. При установке требуемых межканальных разностей фаз с помощью блока коммутации 6 осуществляется подача одного из выходных напряжений фазового дискриминатора на первый вход первого блока вычитания. Причем одновременно возможно его инвертирование. В зависимости от номинального значения устанавливаемой межканальной разности фаз Д алгоритм переключения выходных напряжений фазовых дискриминаторов 5 с помощью блока коммутации 6 может быть задан табл. 2,

Для точной установки требуемого значения межканальной разности фаз на второй вход первого блока вычитания 3 первого и N-го каналов подаются соответствующие напряжения от блока управления 4, что приводит к плавному смещению нуля характеристики фазового дискриминатора 5.

В остальных каналах управление блоками коммутации 6 осуществляется по алгоритму, заданному табл. 1. При этом для реализации распределенного управления во все, кроме крайних, каналы вводятся вторые блоки вычитания 7, на выходе которых вырабатывается напряжение, пропорциональное отличию межканальных разностей фаз двух смежных пар соседних каналов. В результате действ.ия контуров фазовой автоподстройки происходит выравнивание данных разностей фаз по всей апертуре. Абсолютное значение данных разностей определяется, помимо состояния блоков коммутации, лишь напряжением, подаваемым от блока управления на вторые входы первых блоков вычитания первого и N-ro каналов. Если значения межканальных разностей фаз по апертуре отличаются, т. е. формируется нелинейное распределение фаз, то соответствующие напряжения подаются от блока управления на вторые входы первых блоков вычитания всех остальных каналов.

При реализации предложенного алгоритма управления блоком 6 выходное напряжение UBB2I второго блока вычитания произвольного 1-го канала определяется соотношением.

UBB2I Ksln( «3|-р|-м+$з)-Ksln (p -1 +$})

-Kcos( (ff

10

ffl +1 +ff I N

2

где К- коэффициент пропорциональности; $з определяется состоянием блока коммутации 6 или (что то же самое) требуемой t- характеристикой фазового дискриминатора .5 (табл. 1).

Из сопоставления указанного соотношения и табл. 2 следует, что при любом значении

величина cos( + не

0г

уменьшается более чем в 1/ V2 раза и не

меняет знак на обратный. То есть крутизна рабочего участка характеристики фазового дискриминатора 5 не уменьшается более

5 чем в 1/ при любом фазовом распределении на выходах каналов, что гарантирует устойчивость и эффективность действия контуров фазовой автоподстройки всех каналов.

д Из известного соотношения также следует, что в предлагаемом устройстве выполняется алгоритм распределенного управления, поскольку напряжение UBB2I (I 2,..., N - 1), являющееся фактически сигналом ошибк ки контура фазовой автоподстройки, пропорционально синусу разности

ft + l+ft-l 2 сигнала на выходе каждого из некрайних

0 каналов подстраивается под среднее значение фаз сигналов соседних каналов, что и является алгоритмом распределенного управления.

В заявляемом устройстве могут быть

5 применены аналоговые управляемые фа- зовращатели 1 любого типа. Блок управления 4 может быть реализован на основе командных устройств табличного типа либо на базе специализированных вычислительQ ных схем с использованием операционных усилителей для формирования напряжений управления, подаваемых на вторые входы первых блоков вычитания 3. Первый и второй блоки вычитания, а также интегратор 2

5 могут быть выполнены на основе операционных усилителей. Возможна реализация фазовых дискриминаторов 5 с квадратурными выходами на основе мостовых устройств. Широкополосные свойства такого фазового дикриминатора однозначно определяются

-. Следовательно, фаза

рабочей полосой мостовых устройств, которая может составлять, например, октаву, еси мосты реализованы на связанных иниях , Блок коммутации 6 осуществляет в соответствии с командами блока управления лучом подключение одного из выходов фазового дискриминатора к входам последующих блоков и, при необходимости, инвертирование выходных сигналов фазовых дискриминаторов (табл. 2). Блок коммутации 6 может быть выполнен на транзисторах и операционных усилителях,

В прототипе при работе в диапазоне частот длины коммутируемых отрезков дискретных фазовращателей рассчитываются на центральной частоте. Пусть диапазон частот составляет от 1 1 ГГЦ до fs 2 ГГц, т. е. центральная частота равна f0 1,5 ГГц. Рассмотрим случай, когда рабочая частота совпадает с нижней частотой диапазона 1 ГГц, а номинальное значение межканальной разности фаз находится в интервале 90° 1ДуЭй1 135°. При этом в одном из дискретных фазовращателей, включенном на входе высокочастотного сумматора, подключается отрезок линии длиной До /4, где До 20 см - длина волны на центральной частоте. Такой фазовращатель должен вносить фазовый сдвиг, равный 90°. Одновременно в дискретном фазовращателе, включенном на выходе высокочастотного сумматора, коммутируются отрезки линий длиной До /8 и 3 До /8, и он должен вносить фазовый сдвиг 135° с целью компенсации фазового сдвига первого фазовращателя 90° и сохранения неизменным знака обратной связи в устройстве. Фа ктически п ри уме нь- шёнии рабочей частоты до 1 ГГц данный фазовращатель будет вносить фазовый сдвиг

Др- -еоГид,

соответственно, В результате при ошибке первого фазовращателя 30° суммарная

ошибка Др§ш второго (выходного) дискретного фазовращателя оказывается равной

Д$ш(180

2

)

Таким образом, в прототипе ошибка фазирования при работе в октавной полосе окажется равной 60°. В заявляемом устройстве данная ошибка фазирования не возникает ввиду отсутствия в нем дискретных фазовращателей и осуществления аналогичной по цели коммутации на низкой частоте, т. е. на выходах фазовых дискриминаторов 5.

Среднее квадратичное отклонение фазового набега в отрезке микрополосковой линии передачи с учетом разброса эффективного значения диэлектрической проницаемости и волновых сопротивлений из-за конструктивно-технологических погрешностей изготовления составляет: при фазовом набеге Ду 180°, а 0,37°, при Др 360°, orf - 1,77°, при Др 540°, erf ,9°. В дискретных фазовращателях, в высокочастотном сумматоре и соединяющих их фидерах суммарный фазовый набег может составлять порядка 540°. В результате колебания фазового набега возможны в

пределах ± 3 а 4- ± 9°, что приведет к аналогичным погрешностям в установке фазового распределения в апертуре. В заявляемом устройстве данные ошибки фази- рования отсутствуют, так как определяются

лишь нестабильностью нуля фазовых дискриминаторов, которая составляет порядка 2-3° при использовании схем на основе мостовых устройств.

Таким образом, по сравнению с прототипом фазовые ошибки в предлагаемом устройстве уменьшаются при работе в диапазоне частот более чем на порядок, что приводит к улучшению всех основных характеристик антенной решетки: увеличению

коэффициента направленного действия, уменьшению уровня боковых лепестков, сужению главного лепестка диаграммы направленности. При этом менее жесткие . требования предъявляются к стабильности

фазочастотных характеристик всех узлов антенной решетки, что упрощает ее практи ческую реализацию. Возможность обеспечения высокочастотного фазирования в полосе частот позволяет улучшить характеристики радиотехнических средств, в состав которых входит заявляемое устройство, е частности, за счет использования более широкополосных сигналов.

45

Формула изобретения

Устройство распределенного автофази- рованйя антенной решетки, содержащее блок управления, а также N каналов, каждый

из которых состоит из последовательно соединенных первого блока вычитания, интегратора и управляемого фазовращателя. сигнальный вход которого является входом, а выход - выходом соответствующего канала, выход блока управления через шину уп- равления соединен с вторым входом первого блока вычитания каждого канала, при этом каждый l-тый канал, где 1 1,2. 3,.... N - 1, содержит фазовый дискримина

тор, первый вход которого соединен с выходом управляемого фазовращателя соответствующего канала, а второй вход фазового дискриминатора первого канала соединен с первым входом фазового дискриминатора второго канала, отличающееся тем, что, с целью повышения точности формирования фазового распределения в широком диапазоне частот, в каждый I-тый канал введены последовательно соединенные переключатель и управляемый инвертор, управляющие входы которых через шину управления подключены к выходу блока управления, а в каждый I-тый канал, начиная с второго, введен второй блок вычитания, выход и первый вход которого подключены соответственно к входу первого блока вычитания и к выходу управляемого инвертора

Диапазон изменения

0° I Дрй I 45°

45° 135°

-135° I Дрй I -45°

135° 5 I Дрм I 180°

Соответствующего канала, а второй вход второго блока вычитания соответствующего канала подключен к выходу управляемого инвертора предыдущего канала, при этом

вход первого блока вычитания первого и N-ro каналов подключен соответственно к выходу управляемого инвертора первого и (N - 1)-го каналов, фазовый дискриминатор снабжен квадратурным выходом, причем

квадратурный и синфазный выходы фазового дискриминатора каждого канала соединены соответственно с первым и вторым входами переключателя соответствующего канала, а второй вход фазового дискриминатора соответствующего канала, начиная с второго, соединен с выходом управляемого фазовращателя последующего канала.

Та б ли ц а 1

-Таблица 2

Требуемая характеристика фазового дискриминатора

sin

-cosV CosV