RU2338307C1

RU2338307C1 - Active phased antenna array

Info

Publication number: RU2338307C1
Application number: RU2007141224/09A
Authority: RU
Inventors: Юрий Иванович Белый (RU); Юрий Иванович Белый; Ирина Алексеевна Балина (RU); Ирина Алексеевна Балина; Тать на Алексеевна Ломовска (RU); Татьяна Алексеевна Ломовская; Георгий Феодосьевич Мосейчук (RU); Георгий Феодосьевич Мосейчук; Анатолий Исакович Синани (RU); Анатолий Исакович Синани; Виктор Михайлович Кузьменков (RU); Виктор Михайлович Кузьменков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова"
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2008-11-10

Abstract

FIELD: radio equipment.

SUBSTANCE: active phased antenna array (AFAR) contains m radiators (1), which are connected to m transmitting-receiving modules (PPM) (2), device of distribution and phasing (URF) (3) and divider (7). Additionally the following components are introduced: shaper of radiation pattern (FDN) (11), which has two inlets and four outlets, dividers (D) (8, 9, 10), 2K-1 URF (3), 2K peripheral control devices (UU) (4), for setting of required values of phase ratios, in accordance with control signals from beam control unit (BUL) (5). At that every of four high-frequency (HF) outlets of FDN (11) is connected to HF inlet of corresponding D, which has K/2 HF outlets each, where K is even number, 2K HF outlets of D are connected to HF inlets of corresponding URF (3), which have m HF outlets each, where m is any integer number, every of 2Km HF outlets of URF (3) is connected to HF inlet of corresponding 2Km PPM (2), HF outlets of which are connected to radiators (1). At that every URF (3), UU (4), create subarray. Low-frequency inlets of all UU (4) are connected to outlet of BUL (5), the inlet of which is the control inlet of AFAR, and inlets of FDN (11) are summary and difference inlets of AFAR.

EFFECT: simplifies and increases reliability of design, realises simultaneous formation of summary and difference radiation pattern (DN), and also achieves independence of AFAR channels control.

3 dwg

Description

Изобретение относится к радиолокации, в частности к технике СВЧ-антенн, и может быть использовано в качестве как активной, так и пассивной фазированной антенной решетки.The invention relates to radar, in particular to the technique of microwave antennas, and can be used as both active and passive phased antenna arrays.

Известна «Двухдиапазонная антенная система» (RU 2177662 опубл. 27.12.2001), включающая фазированную антенную решетку (ФАР) высокочастотного диапазона, волноводные излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру, и ФАР низкочастотного диапазона, излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру. Излучатели обеих ФАР образуют единую апертуру антенной системы, центры излучения обеих ФАР совпадают между собой или сдвинуты на величину периода расположения излучателей высокочастотной ФАР, излучатели высокочастотной ФАР объединены в непрерывные линейки, а излучатели низкочастотной ФАР расположены между линейками высокочастотной ФАР, образуя ряды, причем величины периодов расположения излучателей низкочастотной ФАР в ряду выполняют точно в соответствии с требуемым для заданного сектора сканирования значением, а между рядами дискретно, с шагом, кратным значению периода расположения линеек излучателей высокочастотной ФАР. Излучатели низкочастотного диапазона могут быть расположены не на всей апертуре, образуя двух- и трехрядную структуру, либо занимают всю апертуру, а излучатели высокочастотного диапазона - только центральную часть апертуры, либо могут быть смещены на случайную величину, либо могут быть выполнены в виде укороченных Н-образных вибраторов с активным плечом длиной L₁ и пассивным плечом длиной L₂, установленных на стойках, выполненных на отрезках коаксиальной линии длиной h с симметрирующими щелями длиной L₃, причем L₁, L₂, L₃, h выбираются по формулам.The well-known "Dual-band antenna system" (RU 2177662 publ. 12/27/2001), including a phased array (PAR) of the high frequency range, waveguide emitters which form a regular periodic structure, and low-frequency phased array, emitters which form a regular periodic structure. The emitters of both headlamps form a single aperture of the antenna system, the emission centers of both headlamps coincide or are shifted by the location period of the high-frequency headlamp emitters, the high-frequency headlamp emitters are combined into continuous lines, and the low-frequency emitters are located between the high-frequency headlamp arrays, forming rows, and the periods the arrangement of the low-frequency headlamp emitters in a row is performed exactly in accordance with the value required for a given scanning sector, and between the rows of dis retno, a pitch multiple of the period of arrangement of lines emitters high PAR. The low-frequency emitters may not be located on the entire aperture, forming a two- and three-row structure, or occupy the entire aperture, and the high-frequency emitters - only the central part of the aperture, or can be shifted by a random amount, or can be made in the form of shortened Н- shaped vibrator with active arm length L ₁ and length L passive arm ₂ mounted on a rack provided on the coaxial line section with a length h Balun slit length L _3, wherein L _1, L _2, L _3, h selected by formula rmulam.

Недостатками такой двухдиапазонной антенной системы являются отсутствие возможности формирования суммарно-разностной диаграммы направленности (ДН) и отсутствие системы управления лучом, а также чисто пассивный режим работы.The disadvantages of such a dual-band antenna system are the lack of the possibility of forming a total-difference beam pattern (LH) and the lack of a beam control system, as well as a purely passive mode of operation.

Наиболее близкой по технической сущности является пассивно-активная фазированная антенная решетка (RU 2299502 С2, опубл. 20.05.2007), состоящая из п излучающих элементов, n приемопередающих модулей (НИМ) и распределительной системы. В состав ППМ входят m активных ППМ, каждый из которых содержит усилитель мощности передающего канала, малошумящие усилители приемного канала, фазовращатели, схему управления и контроля, (n-m) пассивных ППМ, каждый из которых содержит фазовращатель и схему управления фазовращателем. У каждого из m активных ППМ вход в режиме передачи (выход в режиме приема) соединен с соответствующим выходом (входом) распределительной системы СВЧ-мощности, а выход в режиме передачи (вход в режиме приема) соединен с общим каналом делителя мощности (сумматора мощности). К одному выходному каналу в режиме передачи (входному каналу в режиме приема) делителя мощности (сумматора мощности) присоединен излучающий элемент непосредственно, а к остальным каналам излучающие элементы присоединены последовательно через пассивные ППМ.The closest in technical essence is a passive-active phased antenna array (RU 2299502 C2, publ. 05.20.2007), consisting of n emitting elements, n transceiver modules (BAT) and distribution system. The PPM includes m active PPMs, each of which contains a power amplifier of the transmitting channel, low-noise amplifiers of the receiving channel, phase shifters, a control and monitoring circuit, (n-m) passive PPM, each of which contains a phase shifter and a phase shifter control circuit. For each of the m active PPMs, the input in transmission mode (output in reception mode) is connected to the corresponding output (input) of the microwave power distribution system, and the output in transmission mode (input in reception mode) is connected to a common channel of the power divider (power adder) . The emitting element is directly connected to one output channel in the transmission mode (the input channel in the reception mode) of the power divider (power adder), and the radiating elements are connected in series to the remaining channels in series through passive SCMs.

Недостатками этой пассивно-активной фазированной антенной решетки являются: отсутствие возможности формирования разностных диаграмм направленности, чрезмерная громоздкость и сложность схемы построения, что связано с последовательным соединением активных и пассивных приемопередающих модулей и связанные с этим увеличенные потери энергии на передачу и прием. Кроме того, управление каналами пассивно-активной ФАР осуществляется извне, что существенно усложняет и удорожает построение системы управления.The disadvantages of this passive-active phased antenna array are: the lack of the possibility of generating differential radiation patterns, the excessive cumbersomeness and complexity of the construction scheme, which is associated with the serial connection of active and passive transceiver modules and the associated increased energy loss for transmission and reception. In addition, the control of passive-active headlamp channels is carried out from the outside, which significantly complicates and increases the cost of building a control system.

Технический результат предлагаемой активной фазированной антенной решетки заключается в упрощении схемы построения, вследствие чего достигаются большая компактность, простота и надежность конструкции, реализация одновременного формирования суммарной и разностной ДН, а также достижение автономии управления каналами активной фазированной антенной решетки (АФАР) от внешних управляющих систем.The technical result of the proposed active phased antenna array is to simplify the construction scheme, as a result of which greater compactness, simplicity and reliability of the design are achieved, the simultaneous formation of the total and difference beam patterns, as well as the achievement of autonomy for controlling the channels of the active phased antenna array (AFAR) from external control systems.

Сущность изобретения состоит в том, что активная фазированная антенная решетка содержит m излучателей, соединенных с m приемо-передающих модулей, устройство распределения и фазирования и делитель. Новыми признаками заявленного технического решения являются введение формирователя диаграммы направленности, выполненного на трех направленных ответвителях, включенных по последовательно-параллельной схеме и имеющего два входа и четыре выхода, трех делителей, 2К-1 устройств распределения и фазирования, 2К периферийных устройств управления, каждый из четырех высокочастотных выходов формирователя диаграммы направленности подключен к высокочастотному входу соответствующего делителя, имеющего К/2 высокочастотных выходов каждый, где К - четное число. 2К выходов делителей соединены с высокочастотными входами соответствующих устройств распределения и фазирования, имеющих каждый m высокочастотных выходов, где m - любое целое число. Каждый из 2Кm высокочастотных выходов устройств распределения и фазирования соединен с высокочастотным входом соответствующего 2Кm приемо-передающего модуля. Каждое устройство распределения и фазирования соединено с высокочастотными входами m приемо-передающих модулей. Причем периферийное устройство управления, m низкочастотных выходов которого соединены с низкочастотными входами m приемо-передающих модулей, а низкочастотный (m+1)-ый выход периферийного устройства управления соединен с низкочастотным входом устройства распределения и фазирования, и образуют подрешетку, при этом низкочастотные входы всех периферийных устройств управления подключены к выходу блока управления лучом, вход блока управления лучом является управляющим входом активной фазированной антенной решетки, первый и второй входы формирователя диаграммы направленности являются суммарным и разностным входами активной фазированной антенной решетки.The essence of the invention lies in the fact that the active phased antenna array contains m emitters connected to m transceiver modules, a distribution and phasing device, and a divider. New features of the claimed technical solution are the introduction of a beam former made on three directional couplers connected in series-parallel circuit and having two inputs and four outputs, three dividers, 2K-1 distribution and phasing devices, 2K peripheral control devices, each of four the high-frequency outputs of the beam former is connected to the high-frequency input of the corresponding divider having K / 2 high-frequency outputs each, where K is even number. The 2K outputs of the dividers are connected to the high-frequency inputs of the respective distribution and phasing devices, each having m high-frequency outputs, where m is any integer. Each of the 2Km high-frequency outputs of the distribution and phasing devices is connected to the high-frequency input of the corresponding 2Km transceiver module. Each distribution and phasing device is connected to high-frequency inputs m of transceiver modules. Moreover, the peripheral control device, m low-frequency outputs of which are connected to the low-frequency inputs of m transceiver modules, and the low-frequency (m + 1) -th output of the peripheral control device is connected to the low-frequency input of the distribution and phasing device, and form a sublattice, while the low-frequency inputs of all peripheral control devices are connected to the output of the beam control unit, the input of the beam control unit is the control input of the active phased array antenna, the first and second inputs rmirovatelya directional pattern are the sum and difference inputs of the active phased array antenna.

В предлагаемой активной фазированной антенной решетке приемо-передающие модули, входящие в одну подрешетку, могут быть объединены в единую конструкцию.In the proposed active phased antenna array, the transceiver modules included in one sublattice can be combined into a single structure.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемой АФАР.Figure 1 presents the functional diagram of the proposed AFAR.

На фиг.2 представлен пример выполнения приемо-передающего модуля.Figure 2 presents an example implementation of a transceiver module.

На фиг.3 представлен пример выполнения устройства распределения и фазирования.Figure 3 presents an example implementation of the distribution device and phasing.

Предлагаемая активная фазированная антенная решетка, функциональная схема которой приведена на фиг.1, состоит из излучателей 1, соединенных с СВЧ-выходами приемо-передающих модулей (ППМ) 2, СВЧ-входы которых соединяются с СВЧ-выходами устройств распределения и фазирования (УРФ) 3. Низкочастотные входы ППМ 2 и УРФ 3 соединены с выходами периферийного устройства управления (УУ) 4, на вход которого подаются управляющие сигналы от блока управления лучом (БУЛ) 5; m ППМ 2 с подключенными к их выходам излучателями 1, один УРФ 3 и одно УУ4 образуют подрешетку 6. СВЧ-входы каждого УРФ 3 соединены соответственно с выходами четырех делителей 7, 8, 9, 10, входы которых подключены к четырем выходам диаграммообразующего устройства (ДОУ) 11, выполненного на трех направленных ответвителях 12, 13, 14, включенных по последовательно-параллельной схеме. Суммарный и разностный выходы диаграммообразующего устройства являются суммарным и разностным входами активной фазированной антенной решетки.The proposed active phased antenna array, the functional diagram of which is shown in figure 1, consists of emitters 1 connected to the microwave outputs of the transceiver modules (PPM) 2, the microwave inputs of which are connected to the microwave outputs of the distribution and phasing devices (URF) 3. The low-frequency inputs PPM 2 and URF 3 are connected to the outputs of the peripheral control device (UU) 4, the input of which is supplied with control signals from the beam control unit (BUL) 5; m PPM 2 with emitters 1 connected to their outputs, one URF 3 and one UU4 form a sublattice 6. The microwave inputs of each URF 3 are connected respectively to the outputs of four dividers 7, 8, 9, 10, the inputs of which are connected to the four outputs of the beam-forming device ( DOW) 11, performed on three directional couplers 12, 13, 14, connected in series-parallel circuit. The total and difference outputs of the beam-forming device are the total and difference inputs of the active phased antenna array.

Приемо-передающий модуль (ППМ), пример выполнения которого приведен на фиг.2, состоит из приемного и передающего каналов, объединенных с одной стороны циркулятором 15, с другой стороны переключателем прием-передача (ППП) 16. В передающий канал ППМ 2 входят многокаскадный управляемый усилитель мощности 17. В приемный канал входит малошумящий усилитель (МШУ) 18 и управляемый аттенюатор 19, регулирующий уровень СВЧ-сигнала в режиме приема. Устройство распределения и фазирования (УРФ) 3, пример выполнения которого приведен на фиг.3 состоит из распределителя 20, делящего входной СВЧ-сигнал на m каналов (в данном примере на m=4), четырех фазовращателей 21.22.23, 24 и узла контроля и управления фазовращателями 25. Четыре выхода фазовращателей 21.22.23, 24 являются высокочастотными выходами УРФ 3, подключаемыми к ППМ 2.The transceiver module (PPM), an example of the implementation of which is shown in figure 2, consists of a receive and transmit channels connected on the one hand by a circulator 15, on the other hand a transmit-receive switch (PPP) 16. The multi-stage transmitter PPM 2 controlled power amplifier 17. The low-noise amplifier (LNA) 18 and the controlled attenuator 19, which controls the level of the microwave signal in the receiving mode, enter the receiving channel. The distribution and phasing device (URF) 3, an example of which is shown in Fig. 3, consists of a distributor 20 dividing the input microwave signal into m channels (in this example, m = 4), four phase shifters 21.22.23, 24 and a control unit and control of phase shifters 25. Four outputs of phase shifters 21.22.23, 24 are high-frequency outputs of URF 3 connected to PPM 2.

Активная фазированная решетка выполненная, например, из 32 каналов работает следующим образом. В режиме передачи СВЧ-сигнал подается на суммарный вход ДОУ 11. В ДОУ 11 и четырех делителях 7, 8, 9, 10 происходит распределение энергии на 8 каналов. Сформированный по амплитуде сигнал с каждого выхода делителей 7, 8, 9, 10 подается на входы каждой из соответствующих восьми подрешеток 6, то есть на входы восьми УРФ 3, имеющих по 4 выхода. В УРФ 3 фазовращателями 21, 22, 23, 24 обеспечивается требуемое фазовое распределение - формируется либо плоский фазовый фронт, либо любой другой заданный. Значения фазы сигналов устанавливаются в соответствии с управляющими сигналами, поступающими на УРФ 3 от БУЛ 5 через УУ4. Сформированные таким образом СВЧ-сигналы подаются на входы 32 ППМ 2, в многокаскадных управляемых усилителях мощности 17 сигнал усиливается и через ППП 16 поступает на излучатели 1 и излучается в пространство, формируя суммарную диаграмму направленности.Active phased array made, for example, of 32 channels operates as follows. In transmission mode, the microwave signal is fed to the total input of the DOU 11. In the DOU 11 and four dividers 7, 8, 9, 10, the energy is distributed over 8 channels. The amplitude-generated signal from each output of the dividers 7, 8, 9, 10 is fed to the inputs of each of the corresponding eight sublattices 6, that is, to the inputs of eight URF 3 having 4 outputs. In URF 3, phase shifters 21, 22, 23, 24 provide the required phase distribution — either a flat phase front or any other specified one is formed. The phase values of the signals are set in accordance with the control signals received at the URF 3 from BUL 5 through UU4. The microwave signals generated in this way are fed to the inputs 32 of the PPM 2, in multistage controlled power amplifiers 17, the signal is amplified and transmitted through the IFR 16 to the emitters 1 and radiated into space, forming a total radiation pattern.

В дополнение к сигналам, управляющим амплитудой и фазой в подрешетках 6, БУЛ 5 формирует команды на переход от режима передачи к режиму приема, которые через УУ 4 поступают на переключатели прием-передача 16 и многокаскадные управляемые усилители мощности 17 ППМ 2.In addition to the signals controlling the amplitude and phase in the sublattices 6, the BUL 5 generates commands for switching from the transmission mode to the reception mode, which through the UD 4 are transmitted to the transmit-receive switches 16 and the multi-stage controlled power amplifiers 17 PPM 2.

В режиме приема принимаемые 32 излучателями 1 СВЧ-сигналы поступают на входы ППМ 2, через ППП 16 подаются на МШУ 18 приемного канала ППМ 2, соответственно на входы УРФ 3 усиливаются, регулируются по уровню аттенюатором 19 и через циркулятор 15 передаются на входы УРФ 3, в которых происходит суммирование принимаемых СВЧ-сигналов в рамках одной подрешетки с заданными амплитудами и фазами. Причем требуемые фазовые соотношения определяются управляющими сигналами, поступающими от БУЛ 5 через УУ 4, а амплитудные соотношения определяются коэффициентами деления мощности в распределителе 20 УРФ 3 и коэффициентами усиления МШУ 17 ППМ 2 с учетом управляющих сигналов, поступающих на аттенюатор 19 ППМ 2. Сигналы СВЧ с восьми выходов подрешеток 6 поступают на входы четырех делителей 7, 8, 9, 10, суммируются и поступают на ДОУ 11, в котором происходит одновременное формирование суммарной и разностной ДН.In the receiving mode, the microwave signals received by 32 emitters 1 are fed to the inputs of the PPM 2, through the PPP 16 they are fed to the LNA 18 of the receiving channel of the PPM 2, respectively, they are amplified to the inputs of the URF 3, adjusted by the attenuator 19 and transmitted to the inputs of the URF 3 in which the summation of the received microwave signals occurs within the same sublattice with the given amplitudes and phases. Moreover, the required phase relations are determined by the control signals received from the BUL 5 through the control unit 4, and the amplitude ratios are determined by the power division factors in the distributor 20 URF 3 and the amplification factors of the LNA 17 PPM 2 taking into account the control signals supplied to the attenuator 19 PPM 2. Microwave signals with eight outputs of the sublattices 6 go to the inputs of four dividers 7, 8, 9, 10, are summed up and go to the DOU 11, in which the total and difference DNs are simultaneously formed.

Кроме того, при подаче управляющего фазами сигнала от БУЛ 5 на УУ4 УРФ 3 одной половины раскрыва, обеспечивающие изменение фазы на 180° на соответствующих излучателях 1, происходит инверсия формируемых ДН по входам ДОУ 11, т.е. на суммарном входе формируется разностная ДН, а на разностном - суммарная.In addition, when a phase control signal is supplied from BUL 5 to UU4 URF 3 of one half of the aperture, which provide a 180 ° phase change at the respective emitters 1, the formed DNs are inverted at the inputs of DOU 11, i.e. a differential DN is formed at the total input, and a total at the differential input.

Таким образом предлагаемая активная фазированная антенная решетка отличается упрощенной схемой построения, вследствие чего достигаются большая компактность, простота и надежность конструкции, реализация одновременного формирования суммарной и разностной ДН, а также достижение автономии управления каналами АФАР от внешних управляющих систем, а также достоинством предлагаемой схемы построения АФАР является возможность ее работы в пассивном режиме при коэффициенте усиления К_у ППМ 2, равном 1.Thus, the proposed active phased antenna array is distinguished by a simplified construction scheme, as a result of which greater compactness, simplicity and reliability of the design are achieved, the simultaneous formation of total and difference IDs, as well as the achievement of autonomy for controlling AFAR channels from external control systems, as well as the advantage of the proposed design of AFAR is the possibility of its operation in passive mode with a gain of K _at PPM 2 equal to 1.

Claims

An active phased antenna array containing m emitters connected to m transceiver modules, a distribution and phasing device, and a divider, characterized in that a beam former having two inputs and four outputs, three dividers, 2K-1 distribution devices and phasing, 2K peripheral control devices configured to establish the required values of the phase relations in accordance with the control signals received from the beam control unit, when than each of the four high-frequency outputs of the beam former is connected to the high-frequency input of the corresponding divider having K / 2 high-frequency outputs each, where K is an even number, 2K high-frequency outputs of the dividers are connected to high-frequency inputs of the respective distribution and phasing devices having each m high-frequency outputs, where m is any integer, each of 2Km high-frequency outputs of the distribution and phasing devices is connected to the high-frequency input of the corresponding 2Km of the transceiver module, the high-frequency outputs of which, in turn, are connected to the emitters, with each distribution and phasing device connected to the high-frequency inputs of m transceiver modules connected to the m emitters, a peripheral control device, m of which low-frequency outputs are connected with low-frequency inputs m of the transceiver modules, and the low-frequency (m + 1) -th output of the peripheral control device is connected to the low-frequency input of the distribution and phasing device sublattice, and the low-frequency inputs of all peripheral control devices are connected to the output of the beam control unit, the input of the beam control unit is the control input of the active phased array antenna, the first and second inputs of the beam former are the sum and difference inputs of the active phased antenna array.