RU142208U1

RU142208U1 - ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY WITH SPATIAL PLACEMENT OF ELEMENTS

Info

Publication number: RU142208U1
Application number: RU2013150679/08U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Иванович Воскресенский; Елена Викторовна Овчинникова; Светлана Геннадьевна Кондратьева; Павел Александрович Шмачилин
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2014-06-20

Abstract

Активная фазированная антенная решетка с пространственным размещением элементов, содержащая излучатели, размещенные над экраном или в свободном пространстве и соединенные соответственно с приемопередающими модулями, отличающаяся тем, что излучатели размещены на двух параллельно расположенных в пространстве плоскостных подрешетках, при этом минимальное расстояние между подрешетками составляет четверть длины волны, и структура размещения излучателей в отдельной подрешетке прямоугольная, а в системе из двух подрешеток гексагональная.An active phased array antenna with spatial arrangement of elements, comprising emitters located above the screen or in free space and connected respectively to transceiver modules, characterized in that the emitters are placed on two planar sublattices located in parallel in space, while the minimum distance between the sublattices is a quarter of the length waves, and the arrangement of emitters in a separate sublattice is rectangular, and in a system of two sublattices it is hexagonal i.

Description

Полезная модель относится к антенной технике и может использоваться в системах радиопеленгации и радиосвязи.The utility model relates to antenna technology and can be used in radio direction finding and radio communication systems.

Известна активная фазированная антенная решетка (АФАР), с размещением элементов на поверхности сферы [Пат. RU №2488924].Known active phased antenna array (AFAR), with the placement of elements on the surface of the sphere [US Pat. RU No. 2488924].

Трудности практической реализации конформных антенных систем состоят в необходимости коммутации излучающего раскрыва и неэффективном использовании поверхности раскрыва [1, 2]. Кроме того, размещение элементов на выпуклой поверхности не приводит к снижению уровня бокового излучения. В современных радиотехнических системах допустимый уровень боковых лепестков составляет -20…-25 дБ. Для достижения такого уровня в конформных АФАР применяется спадающее к краям апертуры амплитудное распределение, что существенно снижает энергетический потенциал. Вышеперечисленные недостатки отсутствуют в пространственных антенных решетках. В соответствии с принятой терминологией [3], трехмерные (пространственные) антенные решетки представляют собой системы из двух параллельно расположенных в пространстве плоскостных решеток. Можно распространить это определение систему концентрических сферических антенных решеток, а также на элемент этой системы - кольцевую концентрическую антенную решетку [4-6]. Такая антенная решетка представляет собой пространственную антенную решетку с одномерным сканированием в азимутальной плоскости, образованную расположением плоских кольцевых антенных решеток в пространстве.Difficulties in the practical implementation of conformal antenna systems are the necessity of switching the radiating aperture and the inefficient use of the aperture surface [1, 2]. In addition, the placement of elements on a convex surface does not reduce the level of lateral radiation. In modern radio engineering systems, the permissible level of side lobes is -20 ... -25 dB. To achieve this level in conformal AFAR, an amplitude distribution that decreases to the edges of the aperture is used, which significantly reduces the energy potential. The above disadvantages are absent in spatial antenna arrays. In accordance with the accepted terminology [3], three-dimensional (spatial) antenna arrays are systems of two planar arrays located in parallel in space. This definition can be extended to a system of concentric spherical antenna arrays, as well as to an element of this system - a circular concentric antenna array [4-6]. Such an antenna array is a spatial antenna array with one-dimensional scanning in the azimuthal plane, formed by the location of flat annular antenna arrays in space.

Известна активная кольцевая фазированной антенной решетки (АКФАР), содержащая циркуляторы, приемопередающие модули, делители-сумматоры и приемопередатчики [7]. АКФАР состоит из трех сегментов, формирующих три луча под углом 120° друг к другу, каждый из которых содержит N плоских активных фазированных антенных субрешеток, представляющих собой радиолокационные модули (РЛМ), расположенные вплотную друг к другу по внешней кольцевой поверхности антенны. Каждый РЛМ содержит 21 антенных элементов (АЭ), которые через соответствующий циркулятор соединены с соответствующей приемопередающей ячейкой, передатчик и приемник которой содержат электрически управляемые фазовращатели.Known active ring phased antenna array (AKFAR), containing circulators, transceiver modules, divider-adders and transceivers [7]. AKFAR consists of three segments that form three beams at an angle of 120 ° to each other, each of which contains N flat active phased antenna sublattices, which are radar modules (RLM) located close to each other along the outer annular surface of the antenna. Each RLM contains 21 antenna elements (AE), which are connected through a corresponding circulator to the corresponding transceiver cell, the transmitter and receiver of which contain electrically controlled phase shifters.

Известна кольцевая антенная решетка (КАР), реализующая обзор пространства в плоскости решетки (азимутальной плоскости) 360°, представляет из себя набор излучателей нулевого уровня с размерами раскрыва больше половины длины волны, расположенных попарно один возле другого и развернутых в плоскости решетки на некоторый угол относительно друг друга, т.е. их раскрывы располагаются вдоль кривой второго порядка, которая в частном случае может быть окружностью [8]. Особенностью построения структуры КАР является то, что излучатель любого уровня (кроме нулевого) построен по одинаковой схеме. Механизм формирования структуры поля в аппертуре элемента любого уровня (кроме нулевого) совершенно одинаков, а различаются они только граничными условиями.Known annular antenna array (CAR), which implements a 360 ° view of the space in the plane of the array (azimuth plane), is a set of zero-level emitters with aperture sizes greater than half the wavelength, arranged in pairs one next to the other and deployed in the plane of the array at an angle relative to each other, i.e. their openings are located along a second-order curve, which in a particular case can be a circle [8]. A feature of constructing the structure of the CAR is that the emitter of any level (except zero) is built according to the same scheme. The mechanism of formation of the field structure in the aperture of an element of any level (except the zero) is exactly the same, but they differ only in boundary conditions.

Известна также АФАР [9], позволяющая существенно увеличить расстояние между излучателями, не ухудшив направленные свойства при сканировании, а следовательно, и характеристики разрешения всей радиосистемы. Однако, в рассматриваемой схеме построения антенной решетки, излучатели размещаются только на нескольких внешних кольцах большого радиуса и не заполняют апертуру. Это приводит к сравнительно высокому уровню боковых лепестков.AFAR is also known [9], which allows one to significantly increase the distance between the emitters without affecting the directional properties during scanning, and, consequently, the resolution characteristics of the entire radio system. However, in the considered scheme for constructing the antenna array, the emitters are placed only on several outer rings of large radius and do not fill the aperture. This leads to a relatively high level of side lobes.

Известна фазированная антенная решетка, позволяющая уменьшить число фазовращателей за счет оптимизации фазового распределения в распределительной системе [10].Known phased array, which allows to reduce the number of phase shifters by optimizing the phase distribution in the distribution system [10].

Наиболее близким аналогом является фазированная антенная решетка [4]. Кольцевая концентрическая антенная решетка представляет собой систему излучателей, размещенных с некоторым шагом на концентрических окружностях. При формировании луча в плоскости размещения элементов, такую антенную решетку можно рассматривать как пространственную цилиндрическую антенную решетку. Подробное описание аналога приводится на стр.14 в работе [4]. Однако она имеет следующие недостатки: низкий энергетический потенциал и сложную распределительную систему. В современных бортовых антенных системах уровень бокового и обратного излучения не должен превышать -20дБ при достаточно жестких требованиях к энергетическим и массогабаритным характеристикам. Размеры раскрыва таких систем определяются размерами поперечного сечения летательного аппарата (ЛА). Использование спадающего амплитудного распределения для уменьшения УБЛ приводит к сильному уменьшению усиления антенной решетки. Поэтому требуется разработка оптимальной структуры антенного полотна и распределительной системы.The closest analogue is a phased antenna array [4]. An annular concentric antenna array is a system of emitters placed with some pitch on concentric circles. When a beam is formed in the plane of placement of elements, such an antenna array can be considered as a spatial cylindrical antenna array. A detailed description of the analogue is given on page 14 in [4]. However, it has the following disadvantages: low energy potential and complex distribution system. In modern airborne antenna systems, the level of side and backward radiation should not exceed -20dB with fairly stringent requirements for energy and weight and size characteristics. The opening size of such systems is determined by the size of the cross section of the aircraft. The use of a decreasing amplitude distribution to reduce the SLL leads to a strong decrease in the gain of the antenna array. Therefore, the development of the optimal structure of the antenna sheet and distribution system is required.

Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение энергетического потенциала антенной решетки при низком УБЛ -20дБ. Техническая задача решается путем пространственного размещения элементов в антенной решетке с равномерным амплитудным распределением, поэтому коэффициент использования поверхности апертуры получается максимальным и равным единице. При этом максимальные значения принимают коэффициент направленного действия и энергетический потенциал. Для достижения такого же значения УБЛ в плоской решетке применяется спадающее к краям амплитудное распределение, которое существенно снижает энергетический потенциал.The technical task of the claimed utility model is to increase the energy potential of the antenna array at low UBL -20dB. The technical problem is solved by spatial distribution of the elements in the antenna array with a uniform amplitude distribution, so the coefficient of use of the surface of the aperture is maximal and equal to unity. In this case, the maximum values take the coefficient of directional action and energy potential. To achieve the same value of UBL in a flat lattice, an amplitude distribution that decreases to the edges is applied, which significantly reduces the energy potential.

Поставленная задача достигается тем, что в активной фазированной антенной решетке с пространственным размещением элементов, содержащей излучатели, размещенные над экраном или в свободном пространстве, и соединенные соответственно с приемо-передающими модулями, отличающейся тем, что излучатели размещены на двух параллельно расположенных в пространстве плоскостных подрешетках, при этом минимальное расстояние между подрешетками составляет четверть длины волны и структура размещения излучателей в отдельной подрешетке прямоугольная, а в системе из двух подрешеток гексагональная. Такое разнесение излучателей в пространстве обеспечивает снижение уровня бокового излучения при сохранении энергетического потенциала.The problem is achieved in that in an active phased antenna array with a spatial arrangement of elements containing emitters located above the screen or in free space, and connected respectively with transceiver modules, characterized in that the emitters are placed on two planar sublattices parallel to each other in space while the minimum distance between the sublattices is a quarter of the wavelength and the structure of the emitters in a separate sublattice is rectangular, in a two-sublattice hexagonal. Such a separation of emitters in space provides a decrease in the level of lateral radiation while maintaining the energy potential.

Полезная модель поясняется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведена схема размещения излучающих элементов в прототипе; на фиг. 2 приведена схема размещения излучателей в заявляемой АФАР; на фиг. 3 - структурная схема активного модуля, совмещенного с антенной решеткой; на фиг. 4 - приведены диаграммы направленности (ДН) пространственной антенной решетки в плоскости ступеньки. На фиг. 5 а, 6 - приведены электродинамические модели пространственных антенных решеток с прямоугольной и круглой апертурой. На фиг. 6 а, 6 представлены ДН электродинамической модели, показанной на фиг. 5а в секторе углов и вблизи главного максимума соответственно.In FIG. 1 shows the layout of the radiating elements in the prototype; in FIG. 2 shows the layout of the emitters in the inventive AFAR; in FIG. 3 is a block diagram of an active module combined with an antenna array; in FIG. 4 - shows the radiation patterns (DN) of the spatial antenna array in the plane of the step. In FIG. 5 a, 6 - electrodynamic models of spatial antenna arrays with rectangular and circular apertures are given. In FIG. 6 a, 6 show the DNs of the electrodynamic model shown in FIG. 5a in the angle sector and near the main maximum, respectively.

Активная фазированная антенная решетка содержит экран 1, размещенные над экраном излучатели 2 (фиг. 2) на двух подрешетках 3 и 4 соответственно (фиг. 2). Подрешетки смещены по высоте на некоторое расстояние h (фиг. 2). Уровень бокового излучения зависит от значения параметра h. Минимальная высота ступеньки, при которой уменьшается уровень боковых лепестков, составляет четверть длины волны. Излучатели в подрешетках 3 и 4 размешаются в узлах прямоугольной сетки, но при наложении подрешеток друг на друга получается гексагональная сетка размещения излучателей.The active phased antenna array contains a screen 1, emitters 2 (Fig. 2) located above the screen on two sublattices 3 and 4, respectively (Fig. 2). The sublattices are shifted in height by a certain distance h (Fig. 2). The level of lateral radiation depends on the value of the parameter h. The minimum step height at which the level of the side lobes decreases is a quarter of the wavelength. The emitters in sublattices 3 and 4 are placed in the nodes of a rectangular grid, but when superlattices are superimposed on each other, a hexagonal emitter placement grid is obtained.

Каждый из излучателей 2 размещен над экраном 1 в составе подрешеток 3 и 4 и соединен с приемо-передающим модулем (ППМ) 5 (фиг. 3), в который входят: цикулятор 6 (фиг. 3), усилитель 4 (фиг. 3) передающего канала, малошумящий усилитель 8 (фиг. 3) приемного канала, блок цифровой обработки 9 (фиг. 3) передающего канала, блок цифровой обработки 10 (фиг. 3) приемного канала, генератор 11 (фиг. 3), приемник - 12 (фиг. 3), блок синхронизации - 13 (фиг. 3). Каждый из приемо-передающих модулей 3 выполнен с возможностью цифровой обработки сигнала на несущей частоте, осуществляемой в блоках 9 и 10, которые, в данном случае, включены непосредственно на выходе передающего канала и на входе приемного канала.Each of the emitters 2 is placed above the screen 1 as part of the sublattices 3 and 4 and is connected to the transceiver module (PPM) 5 (Fig. 3), which includes: a calculator 6 (Fig. 3), an amplifier 4 (Fig. 3) transmitting channel, low-noise amplifier 8 (Fig. 3) of the receiving channel, digital processing unit 9 (Fig. 3) of the transmitting channel, digital processing unit 10 (Fig. 3) of the receiving channel, generator 11 (Fig. 3), receiver - 12 ( Fig. 3), the synchronization unit - 13 (Fig. 3). Each of the transceiver modules 3 is made with the possibility of digital signal processing at the carrier frequency, carried out in blocks 9 and 10, which, in this case, are connected directly at the output of the transmitting channel and at the input of the receiving channel.

Активная фазированная антенная решетка работает следующим образом. Сигналы от генератора 11 подаются на блок цифровой обработки 10. В блоке цифровой обработки 10 сигналы оцифровываются и путем последовательных преобразований, после прохождения цифровых линий задержки, получают необходимые для формирования ДН амплитуды и фазы. Затем в усилителе 9 сигналы усиливаются и подаются через циркулятор 6 на соответствующий элемент антенной решетки 2. В режиме приема сигнал, принятый соответствующим элементом 2 подается через циркулятор 6 на вход малошумящего усилителя 8, усиливается до необходимого для цифровой обработки уровня и подается на вход блока цифровой обработки 10. В блоке цифровой обработки 10 сигнал оцифровывается и с помощью цифровых линий задержки к сигналу в канале каждого излучателя 2 добавляется фазовый сдвиг, необходимый для приема сигнала эквивалентной апертурой данной антенной решетки. Затем сигналы суммируются в блоке 10 с соответствующими весовыми коэффициентами. После цифровой обработки сигнал передается на вход приемника 12. Синхронизация оцифрованных сигналов всех элементов антенной решетки осуществляется блоком синхронизации 13.Active phased antenna array operates as follows. The signals from the generator 11 are supplied to the digital processing unit 10. In the digital processing unit 10, the signals are digitized and, after passing through the digital delay lines, receive the amplitudes and phases necessary for generating the DN. Then, in the amplifier 9, the signals are amplified and fed through the circulator 6 to the corresponding element of the antenna array 2. In the reception mode, the signal received by the corresponding element 2 is fed through the circulator 6 to the input of the low-noise amplifier 8, amplified to the level required for digital processing and fed to the input of the digital unit processing 10. In the digital processing unit 10, the signal is digitized and using the digital delay lines to the signal in the channel of each emitter 2 is added the phase shift necessary to receive the signal equivalent perturoy this array. Then the signals are summed in block 10 with the corresponding weights. After digital processing, the signal is transmitted to the input of the receiver 12. The synchronization of the digitized signals of all elements of the antenna array is carried out by the synchronization unit 13.

Излучатели 2 размещаются над экраном 1 на двух подрешетках в узлах прямоугольной или гексагональной сетки. При этом получается пространственная антенная решетка, образованная изгибом излучающего раскрыва по ступенчатому закону. ДН такой антенны формируется плоскости, ортогональной плоскости размещения элементов, а цифровая обработка существенно упрощает структуру распределительной системы. Уменьшение УБЛ в таких ребристых структурах зависит от высоты ступеней h (фиг. 2). Минимальный перепад составляет четверть длины волны, но для наиболее эффективного подавления бокового излучения перепад размещения элементов может составлять несколько длин волн. На рис. 4: 1 - ДН плоской антенной решетки с гексагональной структурой, 2 - ДН антенной решетки с гексагональной структурой при высоте изгиба h=1,5λ, 3 - ДН антенной решетки с гексагональной структурой при высоте изгиба h=2,5λ. На фиг. 5 представлены две электродинамические модели пространственных антенных решеток.The emitters 2 are placed above the screen 1 on two sublattices in the nodes of a rectangular or hexagonal grid. This results in a spatial antenna array formed by bending the radiating aperture according to a stepwise law. The bottom of such an antenna is formed on a plane orthogonal to the plane of the elements, and digital processing greatly simplifies the structure of the distribution system. The decrease in UBL in such ribbed structures depends on the height of the steps h (Fig. 2). The minimum difference is a quarter of the wavelength, but for the most effective suppression of lateral radiation, the difference in the arrangement of elements can be several wavelengths. In fig. 4: 1 - the bottom of the antenna array with a hexagonal structure, 2 - the bottom of the antenna array with a hexagonal structure at a bending height h = 1.5λ, 3 - the bottom of the antenna array with a hexagonal structure at a bending height h = 2.5λ. In FIG. 5 shows two electrodynamic models of spatial antenna arrays.

Таким образом, разработана активная фазированная антенная решетка с широкоугольным сканированием, обеспечивающая высокий энергетический потенциал за счет пространственного размещения элементов и цифровой обработки сигнала. Источники информации:Thus, an active phased antenna array with wide-angle scanning has been developed, providing a high energy potential due to the spatial distribution of elements and digital signal processing. Information sources:

1. Пат. RU №24889241. Pat. RU No. 2488924

2. Воскресенский Д.И., Пономарев Л.И., Филипов B.C. Выпуклые сканирующие антенны / Д.И. Воскресенский. - М.: Сов. радио, 1978. - 304 с.2. Voskresensky D.I., Ponomarev L.I., Filipov B.C. Convex scanning antennas / D.I. Resurrection. - M .: Owls. Radio, 1978.- 304 p.

3. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л. Антенны и устройства СВЧ (конспект лекций) - М.: МАИ, 1974. - 240 с.3. Resurrection D.I., Gostyukhin V.L. Microwave antennas and devices (lecture notes) - M .: MAI, 1974. - 240 p.

4. Овчинникова Е.В. Кольцевые концентрические антенные решетки с широкоугольным сканированием. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, МАИ, 2003.4. Ovchinnikova E.V. Wide-angle ring concentric antenna arrays. The dissertation for the degree of candidate of technical sciences. Moscow, Moscow Aviation Institute, 2003.

5. Д.И. Воскресенский, Е.В. Овчинникова. Широкополосные антенны с широкоугольным неискаженным сканированием. - Антенны, 1999, №1 (42).5. D.I. Voskresensky, E.V. Ovchinnikov. Broadband antennas with wide angle undistorted scanning. - Antennas, 1999, No. 1 (42).

6. «Активные фазированные антенные решетки» / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004.6. "Active phased antenna arrays" / Ed. DI. Voskresensky and A.I. Kanaschenkova. - M .: Radio engineering, 2004.

7. Пат. RU №23891117. Pat. RU No. 2389111

8. Пат. RU №20939368. Pat. RU No. 2093936

9. Пат. RU №23109569. Pat. RU No. 2310956

10. Пат. RU №228292110. Pat. RU No. 2282921

Claims

An active phased array antenna with spatial arrangement of elements, comprising emitters located above the screen or in free space and connected respectively to transceiver modules, characterized in that the emitters are placed on two planar sublattices located in parallel in space, while the minimum distance between the sublattices is a quarter of the length waves, and the arrangement of emitters in a separate sublattice is rectangular, and in a system of two sublattices it is hexagonal i.