RU2541888C1 - Multibeam microwave linear antenna array and two-dimensional antenna array based thereon - Google Patents
Multibeam microwave linear antenna array and two-dimensional antenna array based thereon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2541888C1 RU2541888C1 RU2013148296/08A RU2013148296A RU2541888C1 RU 2541888 C1 RU2541888 C1 RU 2541888C1 RU 2013148296/08 A RU2013148296/08 A RU 2013148296/08A RU 2013148296 A RU2013148296 A RU 2013148296A RU 2541888 C1 RU2541888 C1 RU 2541888C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- row
- microwave
- board
- outputs
- inputs
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к радиолокации, точнее к фазированным антенным решеткам (ФАР) СВЧ диапазона, и может быть использовано в пассивной и активной радиолокации. Особенностью предлагаемой конструкции является то, что в ней реализуется формирование веера (пучка) лучей, контролирующих обозреваемое пространство непрерывно, параллельно в пределах всего широкого телесного угла. Причем число лучей может в значительное число раз превышать число модулей ФАР. При этом каждому лучу соответствует в режиме приема свой выход, а в режиме передачи - свой вход для излучаемого сигнала.The invention relates to radar, and more specifically to phased antenna arrays (PAR) of the microwave range, and can be used in passive and active radar. A feature of the proposed design is that it implements the formation of a fan (beam) of rays that control the monitored space continuously, in parallel within the entire wide solid angle. Moreover, the number of rays can be a significant number of times greater than the number of PAR modules. In this case, each beam corresponds to its output in the reception mode, and in its transmission mode - its own input for the emitted signal.
Известны РЛС с активной фазированной антенной решеткой (АФАР), обеспечивающие формирование до нескольких десятков лучей в режиме сопровождения целей. Формирование лучей реализуется за счет управляемых фазовращателей и аттенюаторов, входящих в состав приемопередающих модулей активной фазированной решетки и управляемых сигналами ЭВМ. Для улучшения характеристик таких РЛС предлагаются различные программные и конструктивные варианты способов формирования и управления лучами.Known radar with an active phased antenna array (AFAR), providing the formation of up to several tens of rays in target tracking mode. The formation of rays is realized due to the controlled phase shifters and attenuators that are part of the transceiver modules of the active phased array and are controlled by computer signals. To improve the characteristics of such radars, various software and constructive options for the methods of forming and controlling beams are offered.
Известна антенная система МАРС - N-элементная ФАР проходного типа, обеспечивающая одновременное формирование нескольких лучей. При этом в каждом из N излучающих элементов имеется управляемый фазовращатель, значение фазы которого обеспечивается соответствующими управляющими и контролирующими устройствами [1].Known antenna system MARS - N-element pass-through type, providing the simultaneous formation of several beams. Moreover, in each of the N radiating elements there is a controlled phase shifter, the phase value of which is provided by the corresponding control and monitoring devices [1].
Недостатками этой конструкции являются сложность, ограниченное число лучей и то, что РЛС способна обнаруживать и обрабатывать данные цели только в пределах каждого сформированного луча и не способна обнаруживать цели, находящиеся вне лучей.The disadvantages of this design are the complexity, the limited number of rays and the fact that the radar is able to detect and process target data only within each generated beam and is not able to detect targets outside of the rays.
Известны многолучевые СВЧ системы, использующие так называемые матрицы Батлера. Число формируемых лучей в этих системах равно числу выходов (в режиме приема) и входов излучаемых сигналов (в режиме передачи). Эти лучи существуют одновременно, постоянно, что отвечает в полной мере задаче непрерывного, радиолокационного параллельного обзора контролируемого пространства.Multipath microwave systems using the so-called Butler matrices are known. The number of generated beams in these systems is equal to the number of outputs (in receive mode) and inputs of emitted signals (in transfer mode). These rays exist simultaneously, constantly, which fully meets the task of a continuous, radar-parallel view of the controlled space.
Формирование многолучевости в этих системах базируется на использовании квадратурных СВЧ мостов. При росте числа лучей их количество растет пропорционально 2n, что с учетом структурной и конструктивной сложности не позволяет создавать АФАР с десятками лучей и сотнями лучей. Практически нашли широкое применении антенны с 4-мя лучами в моноимпульсных РЛС [2].The multipath formation in these systems is based on the use of quadrature microwave bridges. With an increase in the number of rays, their number grows in proportion to 2 n , which, taking into account the structural and structural complexity, does not allow creating an AFAR with dozens of rays and hundreds of rays. Almost found widespread use of antennas with 4 beams in monopulse radar [2].
Известны антенны, использующие квазиоптические линзы Ротмана. Недостатками такой конструкции являются большая масса линз, потери в диэлектрике и технологические трудности в изготовлении [3].Antennas using Rothman's quasi-optical lenses are known. The disadvantages of this design are the large mass of lenses, losses in the dielectric and technological difficulties in manufacturing [3].
Известна многолучевая активная антенная решетка (АФАР), принятая за прототип [4]. АФАР формирует управляемые М-лучей при работе антенны на прием и передачу. В ее состав входят три диаграммообразующих устройства (ДОУ), управляемые фазовращатели (ФВ) и аттенюаторы (АТА), устройства управления (УУ). В целом технический результат этого устройства заключается в возможности независимого формирования управляемых М-лучей при работе многолучевой активной антенной решетки на прием и передачу. В режиме передачи зондирующий сигнал подается на вход первого диаграммообразующего устройства, где делится на N (число модулей) и подается на входы всех приемопередающих модулей, содержащих фазовращатели (ФВ) и аттенюаторы (АТА), и после усиления излучается в пространство. Направление луча определяется установленными управляющими устройствами значений фазовых сдвигов в модулях.Known multi-beam active antenna array (AFAR), adopted as a prototype [4]. AFAR forms guided M-rays during operation of the antenna for reception and transmission. It consists of three diagram-forming devices (DOW), controlled phase shifters (PV) and attenuators (ATA), control devices (UU). In general, the technical result of this device is the possibility of independent formation of controlled M-rays during operation of the multi-beam active antenna array for reception and transmission. In the transmission mode, the probe signal is fed to the input of the first beam-forming device, where it is divided by N (the number of modules) and fed to the inputs of all transceiver modules containing phase shifters (PV) and attenuators (ATA), and after amplification is radiated into space. The direction of the beam is determined by the installed control devices of the values of the phase shifts in the modules.
Недостатками таких АФАР являются высокая сложность структуры модулей, необходимость в оперативном управлении значениями фазовых сдвигов, последовательное формирование лучей во времени и "слепота" РЛС вне зоны формируемых лучей.The disadvantages of such AFARs are the high complexity of the structure of the modules, the need for operational control of the phase shift values, the consistent formation of rays in time and the blindness of the radar outside the area of the generated rays.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность формирования одновременно существующего пучка (веера) остронаправленных лучей, покрывающих весь контролируемый телесный угол как одномерной (линейной) так и двумерной антенной решеткой, что позволяет осуществлять непрерывный параллельный контроль пространства.The technical result of the invention is the possibility of forming a simultaneously existing beam (fan) of pointed beams covering the entire controlled solid angle of both a one-dimensional (linear) and two-dimensional antenna array, which allows continuous parallel control of the space.
Технический результат достигается тем, что многолучевая СВЧ линейная антенная решетка включает N приемопередающих модулей, каждый из которых имеет антенный элемент, усилитель с СВЧ переключателями, делитель СВЧ и диаграммообразующее устройство. Антенная решетка выполнена линейной. Каждый модуль расположен на плате, делитель СВЧ каждого модуля имеет М выходных каналов. Диаграммообразующее устройство выполнено в виде многослойного пакета плат, на каждой из которых расположены N-1 элементарных сумматоров в n рядов, при условии N=2n-1, каждый элементарный сумматор имеет два входа и один выход, причем N входов первого ряда подключены к одноименным выходам каналов делителей, при этом разность длин подводящих линий передачи входов элементарного сумматора Δг для каждого ряда определяется из соотношения:The technical result is achieved by the fact that the multipath microwave linear antenna array includes N transceiver modules, each of which has an antenna element, an amplifier with microwave switches, a microwave divider, and a beam-forming device. The antenna array is linear. Each module is located on the board, the microwave divider of each module has M output channels. The diagram-forming device is made in the form of a multilayer package of boards, on each of which there are N-1 elementary adders in n rows, provided N = 2 n -1, each elementary adder has two inputs and one output, and N inputs of the first row are connected to the same the outputs of the channels of the dividers, while the difference in the lengths of the supply lines of the transmission of the inputs of the elementary adder Δ g for each row is determined from the ratio:
Δг=2n-1hpλл/λpsinφ, гдеΔ g = 2 n-1 h p λ l / λ p sinφ, where
hp - шаг решетки в мм;h p is the grid pitch in mm;
λл - длина волны в подводящих линиях в мм;λ l - wavelength in the supply lines in mm;
λp - длина волны в свободном пространстве в мм;λ p - wavelength in free space in mm;
φ - угол падения фронта приходящей волны в градусах относительно нормали к фронтальной поверхности антенны по азимуту;φ is the angle of incidence of the front of the incoming wave in degrees relative to the normal to the frontal surface of the antenna in azimuth;
n - номер ряда элементарных сумматоров, при этом последний ряд имеет один выход, к которому подключен вход монолитного усилителя, компенсирующего потери в линиях передачи. Входы элементарных сумматоров первого ряда для каждого модуля сдвинуты относительно предыдущей платы на толщину платы, так что на передней стороне пакета входы образуют линию, расположенную под углом 45 градусов к основанию, шаг линий равен шагу решетки hp. М выходных сигналов усилителей соответствуют направленным лучам в пространстве, переключатели установлены на входах и выходах всех усилителей для изменения направления прохождения сигналов.n is the number of the row of elementary adders, while the last row has one output to which the input of a monolithic amplifier is connected, which compensates for losses in the transmission lines. The inputs of the elementary adders of the first row for each module are shifted relative to the previous board by the thickness of the board, so that on the front side of the packet the inputs form a line located at an angle of 45 degrees to the base, the line spacing is equal to the grid pitch h p . M output signals of amplifiers correspond to directional beams in space, switches are installed at the inputs and outputs of all amplifiers to change the direction of signal propagation.
Двумерная антенная решетка содержит Р линейных многолучевых СВЧ антенных решеток. Каждая линейная решетка является строкой, при этом на каждой М плате элементарных сумматоров дополнительно выполнен делитель СВЧ на К каналов, подключенный к выходу монолитного усилителя. Выходы каналов делителей каждой платы в каждой строке сдвинуты на шаг, равный L/M, где L - длина платы. Строки соединены вертикальными столбцами, являющимися диаграммообразующими устройствами, выполненными в виде многослойного пакета плат, на каждой из которых расположены P-1 элементарных сумматоров в п рядов, при условии P=2n-1. Каждый элементарный сумматор имеет два входа и один выход, причем входы первого ряда подключены к одноименным выходам каналов делителей, при этом разность длин подводящих линий передачи входов элементарного сумматора Δв для каждого ряда определяется из соотношения:A two-dimensional antenna array contains P linear multipath microwave antenna arrays. Each linear array is a line, and on each M board of elementary adders, an additional microwave divider is made for K channels, connected to the output of a monolithic amplifier. The outputs of the channel dividers of each board in each row are shifted by a step equal to L / M, where L is the length of the board. Rows are connected by vertical columns, which are diagram-forming devices made in the form of a multilayer package of boards, on each of which are P-1 elementary adders in n rows, provided P = 2 n -1. Each elementary adder has two inputs and one output, and the inputs of the first row are connected to the outputs of the divider channels of the same name, while the difference in the lengths of the supply lines of the inputs of the inputs of the elementary adder Δ in for each row is determined from the relation:
Δв=2n-1hвλл/λpsinφ, гдеΔ in = 2 n-1 h in λ l / λ p sinφ, where
hв - шаг решетки по вертикали в мм;h in is the vertical step of the grating in mm;
λл - длина волны в подводящих линиях в мм;λ l - wavelength in the supply lines in mm;
λр - длина волны в свободном пространстве в мм;λ p - wavelength in free space in mm;
φ - угол падения фронта приходящей волны в градусах относительно нормали к фронтальной поверхности антенны по углу места;φ is the angle of incidence of the front of the incoming wave in degrees relative to the normal to the frontal surface of the antenna in elevation;
n - номер ряда элементарных сумматоров,n is the number of the row of elementary adders,
при этом последний ряд каждого сумматора имеет один выход, к которому подключен вход монолитного усилителя, компенсирующего потери в линиях передачи.the last row of each adder has one output, to which the input of a monolithic amplifier is connected, which compensates for losses in the transmission lines.
M выходных сигналов усилителей соответствуют направленным лучам по строкам, а K выходных сигналов соответствуют направленным лучам по столбцам, образуя M×K лучей в пространстве.The M output signals of the amplifiers correspond to the directed rays in rows, and the K output signals correspond to the directed rays in columns, forming M × K rays in space.
Антенная решетка содержит один ряд модулей и одно диаграммообразующее устройство, то есть выполнена линейной, что достаточно, например, для решения задач для навигационных и автомобильных радиолокаторов.The antenna array contains one row of modules and one beam-forming device, that is, it is linear, which is enough, for example, to solve problems for navigation and automotive radars.
Каждый модуль выполнен на диэлектрической плате в микрополосковом исполнении. Диаграммообразующее устройство (ДОУ) выполнено в виде многослойного пакета плат, каждая из которых имеет микрополосковые ряды элементарных сумматоров, что позволяет обеспечить малогабаритность и высокую технологичность устройства.Each module is made on a dielectric board in microstrip design. The diagram-forming device (DOW) is made in the form of a multilayer package of boards, each of which has microstrip rows of elementary adders, which allows for the compact size and high adaptability of the device.
Фазовые сдвиги осуществляются в ДОУ за счет Δг или Δв - разности длин подводящих линий передачи входов элементарных сумматоров, что позволяет формировать разнонаправленные лучи в пространстве.Phase shifts are carried out in the DOE due to Δ g or Δ in - the difference in lengths of the supply lines of the inputs of the inputs of the elementary adders, which allows you to form multidirectional rays in space.
Входы сумматоров для каждого модуля на передней поверхности пакета образуют угол 45 градусов с основанием. Каждая плата установлена под углом 45 градусов к основанию, что обеспечивает равенство электрических длин проводников при соединении выходов делителя модуля со входами сумматоров ДОУ.The inputs of the adders for each module on the front surface of the package form an angle of 45 degrees with the base. Each board is installed at an angle of 45 degrees to the base, which ensures equality of the electrical lengths of the conductors when connecting the outputs of the divider module with the inputs of the adders DOU.
К выходам сумматоров подключены усилители, что позволяет повысить чувствительность решетки в режиме приема.Amplifiers are connected to the outputs of the adders, which makes it possible to increase the sensitivity of the array in the reception mode.
Для обеспечения возможности работы ФАР в режиме приема и передачи на входах и выходах всех усилителей антенной решетки установлены СВЧ переключатели, изменяющие направление прохождения усиливаемых сигналов.To ensure the possibility of operation of the HEADLIGHTS in reception and transmission mode, microwave switches are installed at the inputs and outputs of all amplifiers of the antenna array, changing the direction of passage of the amplified signals.
Для обнаружения целей по азимуту и углу места необходима двумерная антенная решетка, содержащая P линейных многолучевых СВЧ решеток, каждая из которых является строкой, на каждой плате которой выполнены дополнительные делители для подключения диаграммообразующих устройств углов места.To detect targets in azimuth and elevation, a two-dimensional antenna array is required, containing P linear multipath microwave arrays, each of which is a string, on each board of which additional dividers are made for connecting diagram-forming devices for elevation angles.
Выходы каналов делителей сдвинуты на шаг L/M, что позволяет подключить К диаграммообразующих устройств углов места.The outputs of the channel dividers are shifted by an L / M step, which allows you to connect elevation angles to diagram-forming devices.
Строки соединены вертикальными столбцами (диаграммообразующими устройствами), которые обеспечивают выделение и формирование лучей по углу места.Rows are connected by vertical columns (diagram-forming devices), which provide the selection and formation of rays in elevation.
На каждой плате диаграммообразующего устройства расположены P-1 элементарных сумматоров в n рядов, при условии P=2n-1, что обеспечивает суммирование сигналов модулей всех строк АФАР.On each board of the diagram-forming device there are P-1 elementary adders in n rows, provided P = 2 n -1, which provides summation of the signals of the modules of all lines of the AFAR.
Устройство предлагаемой многолучевой СВЧ антенной решетки и двумерной антенной решетки поясняется чертежами.The device of the proposed multi-beam microwave antenna array and two-dimensional antenna array is illustrated by drawings.
На фиг.1 представлена структурная схема линейной многолучевой СВЧ антенной решетки, гдеFigure 1 presents the structural diagram of a linear multipath microwave antenna array, where
плата приемопередающего модуля 1;
антенный элемент 2;
усилитель с СВЧ переключателями 3;amplifier with
делитель СВЧ сигнала 4;
выходы каналов делителя 5;the outputs of the channels of the
плата диаграммообразующего устройства 6;board of the chart-forming device 6;
элементарный сумматор 7;
входы 8 на плате 6 первого ряда элементарных сумматоров 7;
входы 9 на плате 6 второго ряда элементарных сумматоров 7;
входы 10 на плате 6 последнего ряда элементарных сумматоров 7;
Δг - разность длин подводящих линий передачи входов элементарного сумматора 11;Δ g - the difference between the lengths of the supply lines of the inputs of the
монолитный усилитель с СВЧ переключателями 12;monolithic amplifier with
выход 13 монолитного усилителя с СВЧ переключателями 12;
выход 32 на плате 6 последнего ряда элементарных сумматоров 7.
На фиг.2 представлена конструкция линейной многолучевой СВЧ антенной решетки, гдеFigure 2 presents the design of a linear multipath microwave antenna array, where
плата приемопередающего модуля 1;
выходы 13 монолитных усилителей с СВЧ переключателями 12;
блок N приемопередающих модулей 14;block
многослойный пакет из плат 6 (диаграммообразующее устройство линейной ФАР) 15;a multilayer package of boards 6 (beamforming device linear HEADLIGHT) 15;
линия входов для одного модуля 16;input line for one
многолучевой веер М лучей антенной решетки в пространстве 17.a multipath fan M of the rays of the antenna array in
На фиг.3 представлена структурная схема строки двумерной антенной решетки, гдеFigure 3 presents the structural diagram of a row of a two-dimensional antenna array, where
плата приемопередающего модуля 1;
антенный элемент 2;
усилитель с СВЧ переключателями 3;amplifier with
делитель СВЧ сигнала 4;
выходы 5 каналов делителя модуля 4;
элементарный сумматор 7;
входы 8 на плате 31 первого ряда элементарных сумматоров 7;
входы 9 на плате 31 второго ряда элементарных сумматоров 7;
входы 10 на плате 31 последнего ряда элементарных сумматоров 7;
Δг - разность длин подводящих линий передачи входов элементарного сумматора 11;Δ g - the difference between the lengths of the supply lines of the inputs of the
монолитный усилитель с СВЧ переключателями 12;monolithic amplifier with
выход 13 монолитного усилителя с СВЧ переключателями 12;
делитель СВЧ на K каналов 18;microwave divider on
плата диаграммообразующего устройства строки 31 с дополнительными делителями 18;board of the beam-forming device of
выход 32 на плате 31 последнего ряда элементарных сумматоров 7.
На фиг.4 представлена структурная схема расположения строк двумерной антенной решетки, гдеFigure 4 presents the structural layout of the rows of the two-dimensional antenna array, where
строка двумерной АФАР 19;line two-
плата диаграммообразующего устройства столбца 20;column forming device board of
вход 21 на плате 20 первого ряда элементарных сумматоров 7;
Δв - разность длин подводящих линий передачи входов элементарного сумматора столбца 22:Δ in - the difference between the lengths of the input transmission lines of the inputs of the elementary adder column 22:
выходы 23 каналов делителя 18 платы 31;
монолитный усилитель с СВЧ переключателями столбца 24;monolithic amplifier with
выход 25 монолитного усилителя с СВЧ переключателями столбца 24;
плата диаграммообразующего устройства строки 31 с дополнительными делителями 18;board of the beam-forming device of
выход 32 сумматоров 7 платы 20.
На фиг.5 представлен вид сзади строк двумерной антенной решетки и диаграммообразующее устройство столбца, гдеFigure 5 presents a rear view of the rows of a two-dimensional antenna array and a beam-forming column device, where
строка двумерной антенной решетки 19;row of two-
выходы 23 каналов делителя 18;
плата столбца (диаграммообразующего устройства) 20;column board (beamforming device) 20;
входы 21 первого ряда элементарных сумматоров 7;
Δв - разность длин подводящих линий передачи входов элементарного сумматора столбца 22;Δ in - the difference between the lengths of the input transmission lines of the inputs of the
монолитный усилитель с СВЧ переключателями для платы столбца 24;monolithic amplifier with microwave switches for
выход монолитного усилителя с СВЧ переключателями 24-25.output monolithic amplifier with microwave switches 24-25.
На фиг.6 представлен вид сзади двумерной антенной решетки, гдеFigure 6 presents a rear view of a two-dimensional antenna array, where
строка антенной решетки 19;
выходы 25 столбца монолитного усилителя с СВЧ переключателями 24 плат 20;
столбец антенной решетки (диаграммообразующее устройство), выполненный в виде монолитного пакета 26.a column of an antenna array (beam-forming device), made in the form of a
На фиг.7 представлена конструкция двумерной антенной решетки, гдеFigure 7 presents the design of a two-dimensional antenna array, where
блок модулей - 27;module block - 27;
блок P строк 19-28;block P lines 19-28;
блок диаграммообразующих устройств - 29;block of diagram-forming devices - 29;
пучок направленных лучей в пространстве - 30.a beam of directed rays in space - 30.
Пример 1Example 1
Линейная многолучевая СВЧ антенная решетка практически может содержать от 4 до 64 приемопередающих модулей 1. Диаграммообразующее устройство выполнено в виде многослойного пакета 15 плат 6, каждая из которых имеет микрополосковые ряды элементарных сумматоров 7 от 2 до 6 (фиг.2).A linear multi-beam microwave antenna array can practically contain from 4 to 64
Линейная многолучевая СВЧ антенная решетка включает 8 плат приемопередающих модулей 1, каждый из которых выполнен по микрополосковой технологии и содержит: антенный элемент 2, усилитель с СВЧ переключателями 3, делитель СВЧ 4 и диаграммообразующее устройство, представляющее собой многослойный пакет 15 из плат 6, каждая толщиной 0,25-1 мм. Делитель СВЧ 4 каждого модуля имеет 8 выходных каналов 5. На каждой плате 6 по технологии симметричных микрополосковых плат выполнены элементарные сумматоры 7, расположенные в 3 ряда. Каждый элементарный сумматор 7 имеет два входа и один выход. Восемь входов первого ряда 8 сумматоров 7 подключены к одноименным выходам каналов делителей 5. Для каждого значения угла падения луча в пространстве φ по азимуту вычисляется разность длин 11 подводящих линий передачи входов элементарного сумматора 7 (Δ1, Δ2 и Δ3 - на чертежах показаны светлыми линиями) по предлагаемой формуле: Δг=2n-1hpλл/λрsinφ, где hp - шаг решетки, равен 20 мм, λл - длина волны в подводящих линиях, равна 10 мм; λp - длина волны в свободном пространстве, равна 30 мм; n - соответственно 1, 2 и 3. Для отклонения луча 17 влево или вправо поправки Δ1, Δ2 и Δ3 вносятся в правые или левые подводящие линии элементарных сумматоров 7.The linear multi-beam microwave antenna array includes 8 boards of
Последний третий ряд 10 имеет один выход, к которому подключен вход монолитного усилителя 12, компенсирующего потери в линиях передачи. Выход усилителя 12 является выходом 13 платы 6.The last
Входы 8 элементарных сумматоров 7 первого ряда для каждого модуля 1 на каждой следующей плате 6 сдвинуты относительно предыдущей платы 6 на ее толщину, так что на передней стороне пакета 15 образуют линию 16, расположенную под углом 45 градусов к основанию пакета. Шаг линий равен 20 мм, то есть шагу решетки. Пятнадцать выходных сигналов от выходов монолитных усилителей 13, являющихся выходами антенной решетки, соответствуют направленным в пространстве лучам 17.The
Переключатели установлены на входах и выходах всех усилителей 12 для изменения направления прохождения сигналов при переходе от режима «прием» к режиму «передача».The switches are installed at the inputs and outputs of all
Пример 2Example 2
Двумерная антенная решетка может быть выполнена от 4×4 до 32×32 модуля и более.A two-dimensional antenna array can be made from 4 × 4 to 32 × 32 modules or more.
Двумерная антенная решетка содержит 8 линейных многолучевых СВЧ антенных решеток строк 19 (фиг.3 и фиг.4). Каждая плата 31 строки 19 образована путем дополнительного выполнения на ней делителя СВЧ 18 на 10 каналов, подключенного к выходу 13 монолитного усилителя 12 на плате 6 элементарных сумматоров 7 (фиг.3). Выходы 23 каналов делителей в каждой строке 19 сдвинуты на шаг 16 мм, равный L/M, где L - длина платы, равная 160 мм (см фиг.5). Строки 19 соединены вертикальными столбцами 26 (см фиг.6), являющимися диаграммообразующими устройствами, выполненными в виде многослойного пакета плат 20, на каждой из которых расположены семь элементарных сумматоров 7 в 3 ряда. Каждый элементарный сумматор 7 имеет два входа и один выход, причем входы 21 первого ряда подключены к одноименным выходам каналов делителей 18. Для каждого значения угла падения луча в пространстве φ по углу места вычисляется разность длин подводящих линий передачи 22 входов элементарных сумматоров (Δ1в, Δ2в, и Δ3в) для каждого ряда определяется из соотношения:The two-dimensional antenna array contains 8 linear multipath microwave antenna arrays of rows 19 (Fig.3 and Fig.4). Each
Δв=2n-1hвλл/λрsinφ, гдеΔ in = 2 n-1 h in λ l / λ p sinφ, where
hв - шаг решетки по вертикали, 20 мм;h in - vertical grid pitch, 20 mm;
λл - длина волны в подводящих линиях, 10 мм;λ l - wavelength in the supply lines, 10 mm;
λp - длина волны в свободном пространстве, 30 мм;λ p - wavelength in free space, 30 mm;
n - номер ряда элементарных сумматоров, от 1 до 3.n is the number of the row of elementary adders, from 1 to 3.
Для отклонения луча вверх или вниз поправки Δ1в, Δ2в и Δ3в вносятся в верхние или нижние подводящие линии элементарных сумматоров 7 на платах 20 (фиг.7).To deflect the beam up or down, corrections Δ 1c , Δ 2c and Δ 3c are made in the upper or lower supply lines of the
Последний третий ряд элементарных сумматоров 7 на платах 20 имеет один выход 32, к которому подключен вход монолитного усилителя 24, компенсирующего потери в линиях передачи. Выход усилителя 24 является выходом 25 платы 20 и выходом сигналов сумматора 25 и одновременно конкретного луча.The last third row of
Модули каждой строки 19 собраны в блок модулей 27. Диаграммообразующие устройства (платы 31) строк 19 собраны в блок P строк 28. Диаграммообразующие устройства (платы 20) столбцов 26 собраны в блок столбцов 29. Сформированные лучи в пространстве образуют пучок 30.The modules of each
Линейная многолучевая СВЧ антенная решетка работает следующим образом.Linear multipath microwave antenna array operates as follows.
СВЧ сигналы, находящиеся в пределах контролируемого угла по азимуту в режиме приема, принимаются модулями 1, усиливаются и разделяются на М выходов 5. Одинаковые сигналы поступают на входы 8 элементарных сумматоров 7 плат 6. Из-за разности длин 11 подводящих линий передачи происходит фазовый сдвиг сигналов в каждом ряду элементарных сумматоров 7 и на выходе 13 каждой платы 6, диаграммообразующего устройства 15. В результате от выходов 13 на задней стороне пакета 15 (фиг.2) выделяются сигналы в соответствии с внесенными поправками 11 под разными углами к фронту антенной решетки, образуя на задней стороне блока 15 цепочку выходов 13, которые выделяют в пространство веер лучей 17. Сигналы далее могут детектироваться, преобразовываться и подаваться на индикаторные или исполнительные механизмы. Общее число формируемых лучей 17 зависит от рабочего диапазона, шага решетки и толщины платы 6, диаграммообразующего устройства 15. При толщине каждой платы 6, равной 0,25-1,0 мм в диапазоне λр, равной 10 см, могут быть образованы от 70 до 280 лучей 17, а при λр, равной 3 см, - от 20 до 80 лучей 17.Microwave signals that are within the controlled angle in azimuth in the receive mode are received by
Сигналы лучей 17 могут детектироваться и подаваться на индикатор, или преобразовываться, или оцифровываться, после чего обрабатываются в соответствии с решаемой задачей.The signals of the
Рассмотрим вариант формирования одного луча в режиме «передача». При включении СВЧ переключателей усилителей 12 и 3 в режим «передача» выходы 13 на плате 31 превращаются во входы для сформированных сигналов, подлежащих излучению. Сигнал, усиленный «перевернутым» усилителем 12, подается на выход платы 6, выполняющей в этом режиме роль делителя СВЧ сигнала на N каналов. Входы первого ряда сумматоров 7 платы 6 становятся выходами, с которых сигналы поступают на одноименные выводы 5 делителей 4. С делителей 4 сигналы подаются на «перевернутые» усилители 3, а далее - на антенные элементы 2 и излучаются.Consider the option of forming one beam in the "transmission" mode. When the microwave switches of the
Поскольку все поступившие сигналы на модули 1 имеют фазовые сдвиги, обусловленные поправками 11 на плате 6, в эфире формируется один луч с заданным отклонением.Since all incoming signals to
В режиме сканирования пространства по азимуту сигнал передатчика последовательно подается на входы 13 на задней стороне блока 15 (фиг.2, Вид A).In the scanning mode of the space in azimuth, the transmitter signal is sequentially fed to the
Общая мощность излучения в одном луче равна сумме выходных мощностей N модулей.The total radiation power in one beam is equal to the sum of the output powers of N modules.
Возможен многолучевой вариант в режиме «передача», например 3-5 и др. число лучей. При этом мощность излучения каждого излучаемого луча будет в 3-5 раз меньше мощности при одном луче.A multipath option is possible in the "transmission" mode, for example 3-5 and other number of rays. In this case, the radiation power of each emitted beam will be 3-5 times less than the power with one beam.
Устройство может работать последовательно в двух режимах «прием-передача», но в отличие от существующих АФАР с управляемыми фазовращателями прием сигналов осуществляется по всему контролируемому телесному углу после переключения усилителей 3 и 12 на прием, в то время как существующие АФАР «видят» цели только в пределах сформированных узких лучей.The device can operate sequentially in two “transmit-receive” modes, but unlike existing AFARs with controlled phase shifters, signals are received all over the controlled solid angle after switching
Двумерная многолучевая СВЧ антенная решетка работает следующим образом.Two-dimensional multipath microwave antenna array operates as follows.
В зоне контроля по азимуту и углу места СВЧ сигналы в режиме приема поступают на модули 1 (фиг.3) строк 19 (фиг.4). Сигналы усиливаются усилителями 3 и делятся делителями 4 на число, определяющее количество формируемых лучей по азимуту в каждой строке 19 (фиг.4). Каждый луч поступает на входы 8 сумматоров 7 платы 31. Из-за разности длин 11 подводящих линий передачи происходит фазовый сдвиг сигналов в каждом ряду элементарных сумматоров 7 каждой платы 31. С выходов сумматоров 7 сигналы усиливаются усилителями 12. С выхода 13 усилителя 12 сигнал поступает на делитель 18 и делится на число лучей, формируемых по углу места. С выходов 23 (фиг.4 и 5) делителей 18 сигналы поступают на входы 21 сумматоров 7 плат 20, диаграммообразующих столбцов 26 (фиг.6). Из-за разности длин 22 подводящих линий передачи происходит фазовый сдвиг сигналов в каждом ряду элементарных сумматоров 7 каждой платы 20, что выделяет лучи по углу места. На выходах сумматоров 7 платы 20 сигналы усиливаются усилителями 24. Выходные сигналы 25 плат 20 соответствуют сформированным лучам 30 (фиг.7).In the control zone in azimuth and elevation, the microwave signals in the receive mode are sent to modules 1 (Fig. 3) of lines 19 (Fig. 4). The signals are amplified by
При включении СВЧ переключателей усилителей 3, 12 и 24 в режим «передача» выходы 25 на плате 20 превращаются во входы для сформированных сигналов, подлежащих излучению. Сигнал, усиленный «перевернутым» усилителем 24, подается на выход 32 платы 20, выполняющей в этом режиме роль делителя СВЧ сигнала на P каналов. Входы 21 первого ряда сумматоров 7 платы 20 становятся выходами, с которых сигналы поступают на одноименные выходы 23, ставшие входами, делителей 18. С делителей 18 сигналы подаются на «перевернутые» усилители 12, а далее на делители 4, усилители 3 и излучаются антенными элементами 2.When the microwave switches of the
В режиме сканирования пространства по азимуту и углу места сигнал передатчика последовательно подается на входы 25 на задней стороне столбцов 26 блока столбцов 29 (фиг.7).In the scanning mode of space in azimuth and elevation, the transmitter signal is sequentially fed to the
Общая мощность излучения в одном луче равна сумме выходных мощностей N модулей.The total radiation power in one beam is equal to the sum of the output powers of N modules.
Возможен многолучевой вариант в режиме «передача», например 3-5 и др. число лучей. При этом мощность излучения каждого излучаемого луча будет в 3-5 раз меньше мощности при одном луче.A multipath option is possible in the "transmission" mode, for example 3-5 and other number of rays. In this case, the radiation power of each emitted beam will be 3-5 times less than the power with one beam.
На выходах 25 блока столбцов 29 в режиме приема выделяются сигналы, соответствующие конкретным лучам 30 (см. фиг.7).The
Сигналы лучей 30 могут детектироваться и подаваться на индикатор, или преобразовываться, или оцифровываться, после чего обрабатываются в соответствии с решаемой задачей.The signals of the
Предлагаемые конструкции многолучевых линейных и двумерных СВЧ антенных решеток позволяют:The proposed designs of multi-beam linear and two-dimensional microwave antenna arrays allow:
- решать задачи непрерывного параллельного контроля пространства в пассивных и активных режимах в широких углах по азимуту и углу места;- solve the problems of continuous parallel control of space in passive and active modes in wide angles in azimuth and elevation;
- в разы сократить число активных СВЧ и цифровых микросхем;- significantly reduce the number of active microwave and digital circuits;
- в разы повысить надежность и снизить стоимость АФАР;- significantly increase the reliability and reduce the cost of AFAR;
- уменьшить массу устройства и потребление энергии.- reduce the mass of the device and energy consumption.
Предлагаемые АФАР, обеспечивая непрерывный параллельный контроль обозреваемого пространства, могут найти применение при решении задач обнаружения препятствий, объектов нападения, средств радиоразведки и радиопротиводейчтвия, радиовидения и др.The proposed AFAR, providing continuous parallel monitoring of the monitored space, can find application in solving problems of detecting obstacles, objects of attack, radio reconnaissance and anti-deception equipment, radio vision, etc.
Источники информацииInformation sources
1. Патент РФ №2292612, МПК H01Q 3/26.1. RF patent No. 2292612,
2. Ю.М. Брук и др. «Матричные схемы для многолучевых антенных решеток», ж.«Антенны», 1974 г., №20, с.32-47.2. Yu.M. Brooke and others. "Matrix schemes for multipath antenna arrays", J. "Antennas", 1974, No. 20, S. 32-47.
3. Г.Т. Марков и др. «Антенны», «Энергия», г.Москва, 1975 г., с.425.3. G.T. Markov et al. “Antennas”, “Energy”, Moscow, 1975, p. 425.
4. Патент РФ №2410804, МПК H01Q 3/26 - прототип.4. RF patent No. 2410804,
Claims (2)
Δг=2nhpλлsinφ/λp, где
hp - шаг решетки в мм;
λл - длина волны в подводящих линиях в мм;
λp - длина волны в свободном пространстве в мм;
φ - угол падения фронта приходящей волны в градусах относительно нормали к фронтальной поверхности антенны по азимуту;
n - номер ряда элементарных сумматоров,
при этом последний ряд имеет один выход, к которому подключен вход монолитного усилителя, компенсирующего потери в линиях передачи, входы элементарных сумматоров первого ряда для каждого модуля сдвинуты относительно предыдущей платы на толщину платы, так что на передней стороне пакета входы образуют линию, расположенную под углом 45 градусов к основанию, шаг линий равен шагу решетки hp, М выходных сигналов усилителей соответствуют направленным лучам в пространстве, переключатели установлены на входах и выходах всех усилителей для изменения направления прохождения сигналов.1. A multipath microwave linear antenna array, including N transceiver modules, each of which has an antenna element, an amplifier with microwave switches, a microwave divider, a beam-forming device, characterized in that the antenna array is linear, each module is located on the board, the microwave divider of each module has M output channels, the beamforming device is configured as a laminate of M circuit boards, on each of which there are N-1 n elementary adders in series, provided that N = 2 n -1, each elementary ummator has two inputs and one output, the N inputs of the first row connected to the like outputs of dividers channels, the difference between the lengths of lead input transmission lines elementary adder Δ r for each row is determined from the relationship:
Δ g = 2 n h p λ l sinφ / λ p , where
h p is the grid pitch in mm;
λ l - wavelength in the supply lines in mm;
λ p - wavelength in free space in mm;
φ is the angle of incidence of the front of the incoming wave in degrees relative to the normal to the frontal surface of the antenna in azimuth;
n is the number of the row of elementary adders,
the last row has one output, to which the input of a monolithic amplifier compensating for losses in the transmission lines is connected, the inputs of the elementary adders of the first row for each module are shifted relative to the previous board by the thickness of the board, so that on the front side of the packet the inputs form a line located at an angle 45 degrees to the ground lines is the lattice pitch step h p, M outputs of the amplifiers corresponds to the directional rays in the space, the switches are set to inputs and outputs of all amplifiers to vary Nia direction of the signals.
Δв=2nhвλлsinφ/λp, где
hв - шаг решетки по вертикали в мм;
λл - длина волны в подводящих линиях в мм;
λр - длина волны в свободном пространстве в мм;
φ - угол падения фронта приходящей волны в градусах относительно нормали к фронтальной поверхности антенны по углу места;
n - номер ряда элементарных сумматоров,
при этом последний ряд имеет один выход, к которому подключен вход монолитного усилителя, компенсирующего потери в линиях передачи,
при этом М выходных сигналов усилителей соответствуют направленным лучам строк, а K выходных сигналов соответствуют направленным лучам столбцов, образуя M×K лучей в пространстве. 2. A two-dimensional antenna array containing P multipath microwave linear antenna arrays, characterized in that each linear array is a row, with each M board of elementary adders additionally having a microwave divider into K channels connected to the output of a monolithic amplifier, the outputs of the divider channels in each row is shifted by a step equal to L / M, where L is the length of the board, the outputs of the rows are connected by vertical columns, which are diagram-forming devices made in the form of a multilayer package of K boards, on each and of which P-1 elementary adders are located in n rows, provided P = 2 n -1, each elementary adder has two inputs and one output, and the inputs of the first row are connected to the outputs of the divider channels of the same name, while the length difference of the input supply lines elementary adder Δ in for each row is determined from the relation:
Δ in = 2 n h in λ l sinφ / λ p , where
h in is the vertical step of the grating in mm;
λ l - wavelength in the supply lines in mm;
λ p - wavelength in free space in mm;
φ is the angle of incidence of the front of the incoming wave in degrees relative to the normal to the frontal surface of the antenna in elevation;
n is the number of the row of elementary adders,
the last row has one output, to which the input of a monolithic amplifier is connected, which compensates for losses in the transmission lines,
in this case, the M output signals of the amplifiers correspond to the directed rays of the rows, and the K output signals correspond to the directed rays of the columns, forming M × K rays in space.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013148296/08A RU2541888C1 (en) | 2013-10-29 | 2013-10-29 | Multibeam microwave linear antenna array and two-dimensional antenna array based thereon |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013148296/08A RU2541888C1 (en) | 2013-10-29 | 2013-10-29 | Multibeam microwave linear antenna array and two-dimensional antenna array based thereon |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2541888C1 true RU2541888C1 (en) | 2015-02-20 |
Family
ID=53288815
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013148296/08A RU2541888C1 (en) | 2013-10-29 | 2013-10-29 | Multibeam microwave linear antenna array and two-dimensional antenna array based thereon |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2541888C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106684575A (en) * | 2016-12-26 | 2017-05-17 | 湖南纳雷科技有限公司 | Wave beam switchable antenna device and method thereof |
| RU2627541C1 (en) * | 2016-04-06 | 2017-08-08 | Акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт "Градиент" | Microwave switch-divider |
| RU2682169C1 (en) * | 2018-04-16 | 2019-03-15 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Магратеп" | Method for increasing resolving power of rs in azimuth and distance and decrease in scanning time for ground objects during aircraft landing and receiving device realizing this method |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2011726A (en) * | 1977-11-22 | 1979-07-11 | British Aircraft Corp Ltd | Aerial Systems |
| RU2019005C1 (en) * | 1989-12-18 | 1994-08-30 | Военная академия связи | Multibeam array |
| EP1005103B1 (en) * | 1998-11-26 | 2003-01-29 | Thales Nederland B.V. | Array antenna and method for operating the array |
| US6738017B2 (en) * | 2002-08-06 | 2004-05-18 | Lockheed Martin Corporation | Modular phased array with improved beam-to-beam isolation |
| RU2292612C2 (en) * | 2003-12-10 | 2007-01-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Исследовательский Институт "Экран" | Multi-beam selective antenna array antenna system and its construction |
| RU2298267C1 (en) * | 2005-10-19 | 2007-04-27 | Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон - научно-исследовательский институт радиостроения" | Multibeam active phased antenna array |
| RU2410804C1 (en) * | 2010-01-25 | 2011-01-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Multibeam active antenna array |
| RU2446526C1 (en) * | 2010-12-23 | 2012-03-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Two-dimensional electronically-controlled beam monopulse phased antenna array |
-
2013
- 2013-10-29 RU RU2013148296/08A patent/RU2541888C1/en active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2011726A (en) * | 1977-11-22 | 1979-07-11 | British Aircraft Corp Ltd | Aerial Systems |
| RU2019005C1 (en) * | 1989-12-18 | 1994-08-30 | Военная академия связи | Multibeam array |
| EP1005103B1 (en) * | 1998-11-26 | 2003-01-29 | Thales Nederland B.V. | Array antenna and method for operating the array |
| US6738017B2 (en) * | 2002-08-06 | 2004-05-18 | Lockheed Martin Corporation | Modular phased array with improved beam-to-beam isolation |
| RU2292612C2 (en) * | 2003-12-10 | 2007-01-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Исследовательский Институт "Экран" | Multi-beam selective antenna array antenna system and its construction |
| RU2298267C1 (en) * | 2005-10-19 | 2007-04-27 | Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон - научно-исследовательский институт радиостроения" | Multibeam active phased antenna array |
| RU2410804C1 (en) * | 2010-01-25 | 2011-01-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Multibeam active antenna array |
| RU2446526C1 (en) * | 2010-12-23 | 2012-03-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Two-dimensional electronically-controlled beam monopulse phased antenna array |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2627541C1 (en) * | 2016-04-06 | 2017-08-08 | Акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт "Градиент" | Microwave switch-divider |
| CN106684575A (en) * | 2016-12-26 | 2017-05-17 | 湖南纳雷科技有限公司 | Wave beam switchable antenna device and method thereof |
| RU2682169C1 (en) * | 2018-04-16 | 2019-03-15 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Магратеп" | Method for increasing resolving power of rs in azimuth and distance and decrease in scanning time for ground objects during aircraft landing and receiving device realizing this method |
| WO2019203689A1 (en) * | 2018-04-16 | 2019-10-24 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Магратеп" | Method for increasing the azimuth and range resolution of a radar system and the speed of visualization of an observed space during aircraft landing and receiving device for implementing said method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2556562B1 (en) | An rf feed network for modular active aperture electronically steered arrays | |
| Agrawal et al. | Beamformer architectures for active phased-array radar antennas | |
| US6232920B1 (en) | Array antenna having multiple independently steered beams | |
| JP4563996B2 (en) | Broadband two-dimensional electronic scanning array with compact CTS feed and MEMS phase shifter | |
| US5874915A (en) | Wideband cylindrical UHF array | |
| US5189433A (en) | Slotted microstrip electronic scan antenna | |
| KR101461129B1 (en) | Metal waveguide slot array for w-band millimeter-wave seeker and antenna therefor and method of manufacturing the array | |
| US20220026524A1 (en) | Antenna device and radar apparatus | |
| JP2013529411A5 (en) | ||
| WO2014099079A1 (en) | Methods and apparatus for fragmented phased array radar | |
| US5257031A (en) | Multibeam antenna which can provide different beam positions according to the angular sector of interest | |
| CN112768957B (en) | Low-cost modularized flat panel electric scanning antenna | |
| RU2541888C1 (en) | Multibeam microwave linear antenna array and two-dimensional antenna array based thereon | |
| USH1773H (en) | Ultra-wideband active electronically scanned antenna | |
| Russell | Future of RF technology and radars | |
| US10473776B2 (en) | Transmit-array antenna for a monopulse radar system | |
| EP0191031A1 (en) | Multibeam antenna, which can provide different beam positions according to the angular sector of interest | |
| ITMI992177A1 (en) | PROCEDURE FOR RADAR STATIONS FOR THE ACQUISITION AND TRACKING OF ROCKETS AND SMALL-TARGET TARGETS | |
| KR102394771B1 (en) | Antenna apparatus and identification of friend or foe system with the same | |
| Tolkachev et al. | A large-apertured radar phased array antenna of Ka band | |
| EP3780274A1 (en) | An array antenna arrangement | |
| KR102653520B1 (en) | Beam Foaming Array Antenna with Phase-Bank to Supply Phases for Rows and Columns | |
| RU2446526C1 (en) | Two-dimensional electronically-controlled beam monopulse phased antenna array | |
| RU2784393C1 (en) | Dual band antenna system | |
| RU2713159C1 (en) | Method of forming circular area of electronic scanning of cylindrical phased antenna array with increased rate of view |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20160331 |