RU2641506C1

RU2641506C1 - Transmissive phase antenna array module with control driver of phase shifter

Info

Publication number: RU2641506C1
Application number: RU2017109151A
Authority: RU
Inventors: Максим Евгеньевич Голубцов; Александр Сергеевич Пушков; Сергей Павлович Баварский; Юрий Сергеевич Русов; Сергей Игоревич Нефедов
Priority date: 2017-03-20
Filing date: 2017-03-20
Publication date: 2018-01-17

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: transmissive phase antenna array (FAA) module contains a base of the module in the form of a printed circuit board and elements of the FAA connected to the base of the module. On the base of the module in the space between the elements of the FAA drivers of the beam control system (BCS) are placed, made in the form of integrated circuits and electronic components. In this case, the printed circuit board of the FAA element can contain a cut-out between contact pads in which the BCS driver circuits and electronic components are located. The BCS driver circuit controls one or more phase shifters of the FAA elements by supplying to the control element of each phase shifter two different polarity voltage control pulses with adjustable durations and the interval between them, as well as controls the installed controlled phase shifts and controls the integrity of the electric circuits and phase shifters of the FAA elements.

EFFECT: possibility of controlling the phase shifters of the phase antenna array elements directly in the transmissive phase antenna array module with the pitch of arranging the elements of the phase antenna array allowing to ensure single-beam electrical scanning with maximum beam deflection angle from the normal to the phase antenna array aperture of at least 45 degrees, the use of such modules when building phase antenna array with a wide-angle electric beam scanning can significantly reduce the dimensions of the antenna system including the phase antenna array and the beam control system, make it much easier to switch the phase shifter control circuits of the phase antenna array elements by eliminating the long conductors connecting the phase shifters to the beam control system and, as a result, to increase the manufacturability of the assembly and the reliability of the antenna system as a whole, increase the gain of the phase antenna array by reducing the error of setting of the required phase shifts in the phase shifters, usage the transmissive phase antenna array modules in antenna systems with an amount of 10000 or more elements makes it possible to maintain the low attenuation introduced by the phase antenna array element due to the lack of the need to increase its length with a large number of elements in the phase antenna array module and maintain a high gain of the phase antenna array.

9 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ- и КВЧ-диапазонов, в частности к конструкциям фазированных антенных решеток (ФАР), и может быть использовано в радиолокационных системах с широкоугольным электрическим сканированием луча.The invention relates to the field of radio engineering of the microwave and EHF ranges, in particular to the designs of phased array antennas (PAR), and can be used in radar systems with wide-angle electric beam scanning.

Известна конструкция модульной фазированной антенной решетки с ферритовыми фазовращателями, описанная в статье [1]. Фазированная антенная решетка содержит параллельно расположенные плоскую апертурную плату и плоскую плату питания и управления, поверх которой размещена плата согласующих переходов. Элементы ФАР расположены между апертурной платой и платой питания и управления и закреплены в отверстиях этих плат. На корпусах элементов ФАР размещаются драйверы управления фазовращателями, соединяемые с платой питания и управления.A known design of a modular phased antenna array with ferrite phase shifters, described in article [1]. The phased antenna array contains a parallel flat aperture board and a flat power and control board, on top of which a matching transition board is located. PAR elements are located between the aperture plate and the power and control board and are fixed in the holes of these boards. Phase shifters control drivers connected to the power and control board are located on the housings of the PAR elements.

Модульная ФАР [1] обладает следующими недостатками:Modular PAR [1] has the following disadvantages:

1. Недостаточная жесткость конструкции в направлении, перпендикулярном раскрыву ФАР, при большой площади раскрыва, что приводит к смещению элементов ФАР в продольном направлении. Вследствие смещения элементов ФАР в продольном направлении относительно их расчетных положений возникают ошибки при формировании требуемого фазового распределения в раскрыве ФАР, в результате чего снижается коэффициент усиления ФАР.1. Lack of structural rigidity in the direction perpendicular to the opening of the PAR, with a large opening area, which leads to a displacement of the PAR elements in the longitudinal direction. Due to the displacement of the PAR elements in the longitudinal direction relative to their calculated positions, errors occur during the formation of the required phase distribution in the PAR opening, resulting in a decrease in the gain of the PAR.

2. Недостаточная надежность, являющаяся следствием соединения расположенных на корпусе элементов ФАР драйверов управления фазовращателями с платой питания и управления.2. Lack of reliability, which is a consequence of the connection of phase-shifter control drivers located on the housing of the PAR components with the power and control board.

3. Низкая технологичность, вызванная сложностью одновременной установки элементов ФАР в отверстия параллельно расположенных апертурной платы и платы питания и управления и соединения расположенных на корпусах элементов ФАР драйверов управления фазовращателями с платой питания и управления.3. Low manufacturability caused by the complexity of the simultaneous installation of the PAR elements in the openings of the parallel aperture board and the power and control board and the connection of the phase shifters control drivers located on the chassis of the PAR elements with the power and control board.

Известен модуль ФАР, описанный в статье [2]. Здесь описан унифицированный гибкий антенный модуль ФАР. Он содержит основание модуля с печатной платой с проложенными линиями разводки сигналов управления и питающих напряжений. Для минимизации числа линий разводки элемент управления фазовращателем интегрирован с последним в единую сборку. Элементы ФАР присоединены к гибкой печатной плате с применением пайки.The well-known PAR module described in the article [2]. A unified flexible phased array antenna module is described here. It contains the base of the module with a printed circuit board with laid out the wiring lines of control signals and supply voltages. To minimize the number of wiring lines, the phase shifter control element is integrated with the latter into a single assembly. PAR elements are connected to a flexible printed circuit board using soldering.

Гибкому антенному модулю ФАР присущ ряд недостатков:A flexible antenna module PAR has a number of disadvantages:

1. Конструкция гибкого антенного модуля не содержит устройств, фиксирующих положение элементов ФАР на основании модуля. Следствием этого могут быть погрешности установки элементов ФАР в раскрыве антенной решетки и ухудшение ее электрических характеристик.1. The design of the flexible antenna module does not contain devices that fix the position of the PAR elements on the base of the module. The consequence of this may be errors in the installation of PAR elements in the aperture of the antenna array and the deterioration of its electrical characteristics.

2. Гибкий антенный модуль характеризуется низкой стойкостью к механическим воздействиям. В применениях, отличных от [2], повышенная гибкость модуля неприемлема.2. Flexible antenna module is characterized by low resistance to mechanical stress. In applications other than [2], the increased flexibility of the module is unacceptable.

3. Элементы ФАР [2] имеют большой диаметр (более длины волны) и, следовательно, шаг антенной решетки, существенно ограничивающий сектор сканирования луча при размещении их в периодической антенной решетке. Широкоугольное электрическое сканирование луча можно обеспечить только при построении на базе гибкого антенного модуля неэквидистантной фазированной антенной решетки, а такие антенные решетки имеют по сравнению с периодическими антенными решетками более низкий коэффициент направленного действия и, соответственно, более низкий коэффициент усиления.3. PAR elements [2] have a large diameter (longer than the wavelength) and, therefore, the pitch of the antenna array, significantly limiting the scanning sector of the beam when placing them in a periodic antenna array. Wide-angle electric scanning of the beam can only be achieved if a non-equidistant phased array is constructed on the basis of a flexible antenna module, and such antenna arrays have a lower directivity coefficient and, accordingly, a lower gain as compared to periodic antenna arrays.

Частично свободен от указанных недостатков модуль проходной фазированной антенной решетки [3], принятый за прототип. Модуль проходной ФАР содержит основание модуля и элементы ФАР. Основание модуля проходной ФАР выполнено в виде жесткой пластины, содержащей печатные проводники с контактными площадками и штыри, установленные вдоль пластины по обе ее стороны, между которыми на пластине размещены элементы ФАР так, что утолщения их волноводов непосредственно примыкают к боковым ребрам пластины, их корпусы установлены на пластине и соединены с ней клеевым соединением, а контактные площадки печатной платы элемента ФАР соединены с выводами обмотки намагничивания и припаяны к контактным площадкам основания модуля проходной ФАР.Partially free from these drawbacks, the module of the pass-through phased antenna array [3], adopted as a prototype. The pass-through headlamp module contains the base of the module and the headlamp elements. The base of the pass-through headlamp module is made in the form of a rigid plate containing printed conductors with contact pads and pins mounted along the plate on both sides of the plate, between which the headlamp elements are placed on the plate so that the thickenings of their waveguides are directly adjacent to the side edges of the plate, their bodies are installed on the plate and connected to it by an adhesive connection, and the contact pads of the printed circuit board of the PAR element are connected to the terminals of the magnetizing winding and soldered to the contact pads of the base of the pass module HEADLIGHT.

Модуль проходной ФАР, принятый за прототип, обладает рядом недостатков:The pass-through headlamp module adopted for the prototype has several disadvantages:

1. Конструкция модуля проходной ФАР [3] не содержит узлов управления фазовращателями элементов ФАР (драйверов), что приводит к необходимости применения большого числа проводников и коммутационных элементов в антенной системе.1. The design of the pass-through headlamp module [3] does not contain control units for phase shifters of the headlamp elements (drivers), which leads to the necessity of using a large number of conductors and switching elements in the antenna system.

2. При большом количестве элементов ФАР в модуле существенно возрастают длины проводников, соединяющих узлы управления фазовращателями элементов ФАР и фазовращатели элементов ФАР, что может увеличить погрешность установки требуемых фазовых сдвигов, в результате чего снизится коэффициент усиления ФАР.2. With a large number of PAR elements in the module, the lengths of the conductors connecting the control units of the phase shifters of the PAR elements and the phase shifters of the PAR components increase significantly, which can increase the error in the installation of the required phase shifts, resulting in a decrease in the gain of the PAR.

3. При значительном количестве элементов ФАР в модуле требуется размещение на основании модуля соответствующего числа проводников, соединяющих узлы управления и фазовращатели элементов ФАР. При росте количества размещаемых на основании модуля проводников и сохранении прежней толщины основания модуля с целью обеспечения требуемого шага расположения элементов в ФАР, построенной на базе этих модулей, возникает необходимость увеличения ширины основания модуля. Это в свою очередь ведет к увеличению длины элемента ФАР, размещаемого на основании модуля, что вызывает рост вносимого им ослабления и, соответственно, снижение коэффициента усиления антенной системы, построенной на базе таких модулей.3. With a significant number of PAR elements in the module, placement on the basis of the module of the corresponding number of conductors connecting the control units and phase shifters of the PAR elements is required. With an increase in the number of conductors placed on the base of the module and maintaining the same thickness of the base of the module in order to provide the required step for the arrangement of elements in the headlamp built on the basis of these modules, it becomes necessary to increase the width of the base of the module. This in turn leads to an increase in the length of the PAR element placed on the basis of the module, which causes an increase in the attenuation introduced by it and, accordingly, a decrease in the gain of the antenna system built on the basis of such modules.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение недостатков, присущих прототипу, а именно: обеспечение возможности управления фазовращателями элементов ФАР непосредственно в модуле проходной ФАР при шаге расположения элементов ФАР, обеспечивающем широкоугольное электрическое сканирование луча с максимальным углом отклонения от нормали к раскрыву ФАР не менее 45°.The technical result of the present invention is to eliminate the disadvantages inherent in the prototype, namely: providing the ability to control the phase shifters of the PAR elements directly in the pass-through headlamp module with the step of positioning the PAR elements, providing a wide-angle electric beam scan with a maximum angle of deviation from the normal to the headlight opening of at least 45 °.

Для получения технического результата в модуле проходной фазированной антенной решетки, содержащем основание модуля в виде печатной платы, элементы ФАР, соединенные с основанием модуля, каждый из которых содержит корпус, приемный и апертурный излучатели, фазовращатель с выводами, соединенными с контактными площадками печатной платы элемента ФАР, а также ограничитель осевого смещения, при этом основание модуля выполнено в виде пластины, содержащей печатные проводники с контактными площадками и конструктивные элементы, определяющие шаг размещения элементов ФАР, а корпусы элементов ФАР установлены на пластине по крайней мере с одной из ее сторон и соединены с ней, причем контактные площадки печатной платы элемента ФАР соединены с контактными площадками основания модуля ФАР, согласно изобретению на основании модуля в пространстве между элементами ФАР размещены драйверы системы управления лучом (СУЛ), выполненные в виде интегральных микросхем и электронных компонентов, причем минимальное расстояние между осями соседних элементов ФАР не превышает величины L=d+t, где d - поперечный размер корпуса элемента ФАР в области расположения конструктивных элементов, определяющих шаг размещения элементов ФАР, a t - поперечный размер конструктивного элемента, определяющего шаг размещения элементов ФАР, в области касания корпуса элемента ФАР, при этом драйвер СУЛ обеспечивает управление одним или несколькими фазовращателями элементов ФАР путем подачи на каждый фазовращатель двух разнополярных управляющих импульсов напряжения с регулируемыми длительностями и интервалом между ними, а также контроль установленных управляемых фазовых сдвигов и контроль целостности электрических цепей и фазовращателей элементов ФАР, причем напряжение управляющих импульсов определяется напряжением, поданным на расположенную на основании модуля шину питания, а длительности управляющих импульсов передаются по размещенной на основании модуля шине передачи данных, по которой также передаются групповые команды, обеспечивающие одновременное переключение фазовых состояний элементов ФАР в модуле проходной фазированной антенной решетки.To obtain a technical result in a phased array antenna module containing a module base in the form of a printed circuit board, PAR elements connected to the base of the module, each of which contains a housing, receiving and aperture emitters, a phase shifter with leads connected to the contact pads of the printed circuit board of the PAR element as well as an axial displacement limiter, while the base of the module is made in the form of a plate containing printed conductors with contact pads and structural elements defining the placement of the PAR elements, and the housings of the PAR elements are mounted on the plate from at least one of its sides and connected to it, the contact pads of the printed circuit board of the PAR element being connected to the contact pads of the base of the PAR module, according to the invention, based on the module in the space between the PAR elements drivers of the beam control system (SUL), made in the form of integrated circuits and electronic components, and the minimum distance between the axes of adjacent PAR elements does not exceed L = d + t, where d is pop The transverse dimension of the housing of the PAR element in the area of arrangement of structural elements that determine the pitch of the PAR elements, at is the transverse dimension of the structural element that determines the pitch of the location of PAR cells in the area of contact of the housing of the PAR element, while the CMS driver controls one or more phase shifters of the PAR components supply to each phase shifter of two opposite-polarity control voltage pulses with adjustable durations and the interval between them, as well as control of the set avaliable phase shifts and integrity control of electric circuits and phase shifters of PAR elements, moreover, the voltage of the control pulses is determined by the voltage applied to the power bus located on the basis of the module, and the duration of the control pulses are transmitted via the data bus located on the basis of the module, which also transfers group commands, providing simultaneous switching of the phase states of the PAR elements in the module of the pass-through phased antenna array.

В частном случае конструктивные элементы, определяющие шаг размещения элементов ФАР, могут быть выполнены в виде установленных вдоль основания модуля по обе его стороны штырей, между которыми размещены элементы ФАР.In the particular case, structural elements that determine the pitch of the PAR elements can be made in the form of pins installed along the base of the module on both sides of the module, between which the PAR elements are placed.

В частном случае ограничители осевого смещения элементов ФАР могут быть выполнены в виде примыкающих непосредственно к боковому ребру основания модуля утолщений их корпусов или излучателей.In the particular case, the axial displacement limiters of the PAR elements can be made in the form of adjoining directly to the side rib of the base of the module of the thickenings of their bodies or radiators.

В частном случае микросхема драйвера СУЛ может размещаться в углублении основания модуля.In the particular case, the LPS driver chip may be located in the recess of the base of the module.

В частном случае микросхема драйвера СУЛ может быть выполнена бескорпусной.In the particular case, the chip of the SUL driver can be made unpacked.

В частном случае печатная плата элемента ФАР может содержать вырез между контактными площадками, в котором размещаются электронные компоненты и микросхема драйвера СУЛ.In the particular case, the printed circuit board of the PAR element can contain a cutout between the contact pads, in which the electronic components and the driver integrated circuit are placed.

В частном случае электронные компоненты драйверов СУЛ могут быть размещены на обеих сторонах основания модуля.In the particular case, the electronic components of the LMS drivers can be placed on both sides of the module base.

В частном случае элемент ФАР может содержать волноводный ферритовый фазовращатель.In the particular case, the PAR element can contain a waveguide ferrite phase shifter.

В частном случае элемент ФАР может содержать приемный и апертурный волноводно-диэлектрические излучатели.In the particular case, the PAR element can contain a receiving and aperture waveguide-dielectric emitters.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показан объемный вид модуля проходной ФАР. На фиг. 2 приведен объемный вид модуля проходной ФАР без элементов ФАР. На фиг. 3 показан вид модуля проходной ФАР со стороны печатной платы элемента ФАР. На фиг. 4 представлено поперечное сечение модуля проходной ФАР в месте расположения конструктивных элементов, определяющих шаг размещения элементов ФАР (сечение АА на фиг. 3). На фиг. 5 показан вид модуля проходной ФАР со стороны основания модуля.The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a three-dimensional view of the module of the headlight through passage. In FIG. Figure 2 shows a three-dimensional view of a module of a headlamp with a headlamp without headlamp elements. In FIG. 3 shows a view of the pass-through headlamp module from the side of the printed circuit board of the headlamp element. In FIG. 4 is a cross-sectional view of a module of a through-beam headlamp at a location of structural elements defining a spacing of elements of a headlamp (section AA in FIG. 3). In FIG. 5 shows a view of the module of the headlight through passage from the side of the base of the module.

На фиг. 1 - 5 обозначено: 1 - основание модуля; 2, 3 - контактные площадки основания модуля проходной ФАР; 4 - микросхема драйвера СУЛ; 5, 6 - электронные компоненты; 7 - конструктивный элемент, определяющий шаг размещения элементов ФАР; 8 - элемент ФАР; 9 - печатная плата элемента ФАР; 10, 11 - контактные площадки печатной платы элемента ФАР; 12 - вырез в контактной плате элемента ФАР; 13 - ограничитель осевого смещения элемента ФАР; 14 - приемный излучатель; 15 - апертурный излучатель, 16 - боковое ребро основания модуля.In FIG. 1 - 5 are indicated: 1 - the base of the module; 2, 3 - contact pads of the base of the headlight module of the headlamp; 4 - chip driver SUL; 5, 6 - electronic components; 7 - a structural element that determines the step of the placement of PAR elements; 8 - element PAR; 9 - a printed circuit board of the PAR element; 10, 11 - contact pads of the printed circuit board of the headlamp element; 12 - cutout in the contact plate of the PAR element; 13 - axial displacement limiter for the PAR element; 14 - receiving emitter; 15 - aperture radiator, 16 - side rib of the base of the module.

Модуль проходной фазированной антенной решетки работает следующим образом.Module pass-through phased antenna array operates as follows.

В режиме передачи электромагнитная волна, поляризованная по кругу и излучаемая облучателем фазированной антенной решетки, состоящей из предлагаемых модулей проходной ФАР (на рисунках не показана), принимается приемным излучателем 14, выполненным, например, в виде волноводно-диэлектрического излучателя, каждого элемента ФАР 8 и поступает на вход фазовращателя элемента ФАР. Проходя через фазовращатель, электромагнитная волна испытывает изменение фазы на величину Δϕ. С выхода фазовращателя электромагнитная волна поступает на вход апертурного излучателя 15, выполненного, например, в виде волноводно-диэлектрического излучателя, и излучается им в свободное пространство.In the transmission mode, an electromagnetic wave polarized in a circle and emitted by an irradiator of a phased antenna array consisting of the proposed modules of a pass-through phased array (not shown in the figures) is received by a receiving emitter 14, made, for example, in the form of a waveguide-dielectric emitter, each element of the PAR 8 and arrives at the input of the phase shifter element PAR. Passing through a phase shifter, an electromagnetic wave experiences a phase change by Δϕ. From the output of the phase shifter, the electromagnetic wave enters the input of the aperture emitter 15, made, for example, in the form of a waveguide-dielectric emitter, and is emitted by it into free space.

В режиме приема из свободного пространства на апертурный излучатель 15 каждого элемента ФАР 8 падает поляризованная по кругу электромагнитная волна с противоположным направлением вращения и принимается им. Затем электромагнитная волна проходит через фазовращатель, получает такое же, как и в режиме передачи, изменение фазы Δϕ и излучается приемным излучателем 14 в направлении облучателя ФАР.In the reception mode from free space to the aperture radiator 15 of each element of the PAR 8, a circularly polarized electromagnetic wave with an opposite direction of rotation is incident and received. Then the electromagnetic wave passes through the phase shifter, receives the same, as in the transmission mode, phase change Δϕ and is emitted by the receiving emitter 14 in the direction of the PAR illuminator.

Изменение фазы излучаемой элементом ФАР 8 электромагнитной волны в интервале Δϕ=0…2π осуществляется посредством фазовращателя, например волноводного ферритового фазовращателя фарадеевского типа, путем подачи на управляющий элемент фазовращателя, например катушку продольного намагничивания ферритового стержня, двух разнополярных импульсов напряжения с регулируемыми длительностями и интервалом между ними. Управляющие импульсы поступают на выводы фазовращателя через контактные площадки 10 и 11 печатной платы элемента ФАР 9.The phase change of the electromagnetic wave emitted by the PHAR 8 element in the interval Δϕ = 0 ... 2π is carried out by means of a phase shifter, for example, a Faraday type waveguide ferrite phase shifter, by supplying a phase shifter, for example, a longitudinal magnetization coil of a ferrite rod, two voltage pulses of different polarities with adjustable durations and the interval between them. The control pulses are fed to the terminals of the phase shifter through the pads 10 and 11 of the printed circuit board of the element PAR 9.

На основании модуля 1 размещены драйверы СУЛ, выполненные в виде интегральных микросхем драйверов СУЛ 4 и электронных компонентов 5 и 6. Микросхемы драйверов СУЛ 4 и электронные компоненты 5 и 6 располагаются на основании модуля 1 в пространстве между элементами ФАР 8. Минимальное расстояние между осями соседних элементов ФАР не превышает величины L=d+t, где d - поперечный размер корпуса элемента ФАР в области расположения конструктивных элементов 7, определяющих шаг размещения элементов ФАР, a t - поперечный размер конструктивного элемента 7, определяющего шаг размещения элементов ФАР, в области касания корпуса элемента ФАР 8. С целью уменьшения минимального расстояния между элементами ФАР 8 микросхема драйвера СУЛ 4 может быть размещена в углублении основания модуля. В частном случае микросхема драйвера СУЛ 4 может быть выполнена бескорпусной, что также позволит уменьшить минимальное расстояние между элементами ФАР 8. С целью уменьшения минимального расстояния между элементами ФАР 8 печатная плата элемента ФАР 9 может содержать вырез 12 между контактными площадками 10 и 11, в котором размещаются электронные компоненты драйвера СУЛ 5 и микросхема драйвера СУЛ 4.On the basis of module 1, the LPS drivers are placed, made in the form of integrated circuits of the LPS 4 drivers and electronic components 5 and 6. The chips of the LPS 4 drivers and electronic components 5 and 6 are located on the base of module 1 in the space between the PAR 8 elements. The minimum distance between the axes of adjacent PAR elements does not exceed L = d + t, where d is the transverse dimension of the housing of the PAR element in the region of the arrangement of structural elements 7, which determine the pitch of the PAR elements, at is the transverse dimension of the structural element 7, defined dividing the step of placing the PAR elements in the area of contact of the housing of the PAR 8 element. In order to reduce the minimum distance between the PAR 8 elements, the driver chip SUL 4 can be placed in the recess of the base of the module. In the particular case, the driver SUL 4 microcircuit can be made open-frame, which will also reduce the minimum distance between the PAR 8 elements. In order to reduce the minimum distance between the PAR 8 elements, the printed circuit board of the PAR 9 element can contain a cutout 12 between pads 10 and 11, in which The electronic components of the SUL 5 driver and the chip of the SUL 4 driver are located.

Каждая микросхема драйвера СУЛ 4 обеспечивает управление одним или несколькими фазовращателями элементов ФАР, например, путем подачи на контактные площадки основания модуля проходной ФАР 2 и 3, соединенные соответственно с контактными площадками 10 и 11 печатной платы элемента ФАР 9, двух разнополярных управляющих импульсов напряжения с регулируемыми длительностями и интервалом между ними. Микросхема драйвера СУЛ 4 также производит контроль установленных управляемых фазовых сдвигов и контроль целостности электрических цепей и фазовращателей элементов ФАР 8, например обмоток намагничивания и магнитных систем волноводных ферритовых фазовращателей. Напряжение управляющих импульсов определяется напряжением, поданным на расположенную на основании модуля шину питания. Длительности управляющих импульсов передаются по расположенной на основании модуля шине передачи данных, по которой также передаются групповые команды, обеспечивающие одновременное переключение фазовых состояний элементов ФАР в модуле проходной фазированной антенной решетки.Each driver SUL 4 driver microcircuit provides control of one or several phase shifters of PAR elements, for example, by supplying to the contact pads of the base of the module of the through passage PAR 2 and 3, connected respectively to the contact pads 10 and 11 of the printed circuit board of the PAR 9 element, of two different-voltage voltage pulses with adjustable durations and the interval between them. The driver microcircuit SUL 4 also performs control of installed controlled phase shifts and integrity control of electric circuits and phase shifters of PAR 8 components, for example magnetization windings and magnetic systems of waveguide ferrite phase shifters. The voltage of the control pulses is determined by the voltage applied to the power bus located on the base of the module. The durations of the control pulses are transmitted via the data bus located on the base of the module, through which group commands are also transmitted, which simultaneously switch the phase states of the PAR elements in the module of the pass-through phased antenna array.

Элемент ФАР 8 устанавливается на основание модуля 1 и жестко соединяется с ним, например, с применением клея. Контактные площадки 10 и 11 печатной платы элемента ФАР 9 соединяются соответственно с контактными площадками основания модуля проходной ФАР 2 и 3 посредством пайки. Конструктивные элементы 7, определяющие шаг размещения элементов ФАР, могут быть выполнены, например, в виде установленных вдоль основания модуля 1 по обе его стороны штырей и позволяют повысить точность позиционирования элементов ФАР 8 в продольном направлении основания модуля. Ограничитель осевого смещения элемента ФАР 13, выполненный, например, в виде примыкающего непосредственно к боковому ребру основания модуля 16 утолщения корпуса элемента ФАР или утолщения апертурного или приемного излучателя, позволяет повысить точность позиционирования элемента ФАР в поперечном направлении основания модуля. С целью уменьшения расстояния между элементами ФАР 8 электронные компоненты 6 драйверов СУЛ могут быть размещены на основании модуля 1 на стороне, не содержащей элементов ФАР 8 (фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5).The element PAR 8 is installed on the base of module 1 and is rigidly connected to it, for example, using glue. The contact pads 10 and 11 of the printed circuit board of the HEADLOCK element 9 are connected respectively to the contact pads of the base of the pass-through module HEADLIGHT 2 and 3 by soldering. Structural elements 7 that determine the pitch of the PAR elements can be made, for example, in the form of pins installed along the base of the module 1 on both sides of the module and can improve the accuracy of positioning the PAR 8 elements in the longitudinal direction of the module base. The axial displacement limiter of the PAR element 13, made, for example, in the form of a thickening of the PAR element element directly adjacent to the lateral rib of the base of the module 16 or of thickening of the aperture or receiving emitter, improves the positioning accuracy of the PAR element in the transverse direction of the base of the module. In order to reduce the distance between the elements of the PAR 8, the electronic components 6 of the LPS drivers can be placed on the base of the module 1 on the side that does not contain the elements of the PAR 8 (Fig. 3, Fig. 4 and Fig. 5).

Предлагаемый модуль проходной ФАР конструктивно прост, технологичен, отличается простотой изготовления отдельных деталей и сборки, характеризуется низкой трудоемкостью и невысокой стоимостью. Для его создания в условиях серийного производства нет необходимости разрабатывать новые материалы и использовать дорогостоящие технологические процессы, достаточно использовать нормализованные серийно выпускаемые материалы, клеи и освоенные технологические процессы.The proposed headlamp module PAR is structurally simple, technologically advanced, characterized by the simplicity of manufacturing individual parts and assemblies, characterized by low labor intensity and low cost. To create it in the conditions of mass production, there is no need to develop new materials and use expensive technological processes; it is enough to use normalized mass-produced materials, adhesives, and mastered technological processes.

Эффективность предложенного технического решения проверена экспериментально на макетах модулей проходных фазированных антенных решеток миллиметрового диапазона длин волн в полосе частот прямоугольного волновода сечением 7,2×3,4 мм². Макет модуля проходной ФАР содержит элементы ФАР с поперечными размерами не более 0,5λ, где λ - длина волны в свободном пространстве на средней частоте рабочего диапазона. Использование предлагаемого изобретения позволяет существенно улучшить технические характеристики фазированных антенных решеток. При указанном поперечном размере элементы ФАР в модуле проходной ФАР могут располагаться на расстояниях, обеспечивающих двумерное широкоугольное электрическое сканирование луча с отклонением его от нормали к раскрыву на угол до 45°.The effectiveness of the proposed technical solution was tested experimentally on mock-up modules of pass-through phased array antennas of the millimeter wavelength range in the frequency band of a rectangular waveguide with a cross section of 7.2 × 3.4 mm ² . The prototype of the pass-through headlamp module contains elements of the headlamp with transverse dimensions not exceeding 0.5λ, where λ is the wavelength in free space at the average frequency of the operating range. The use of the invention allows to significantly improve the technical characteristics of phased antenna arrays. With the indicated transverse size, the PAR elements in the pass-through PAR module can be located at distances providing a two-dimensional wide-angle electric scanning of the beam with its deviation from the normal to the opening by an angle of up to 45 °.

Данное техническое решение применимо при создании как малоэлементных, так и крупноапертурных ФАР. В зависимости от конкретного размера ФАР изменяется только число модулей ФАР и количество элементов ФАР в каждом из них.This technical solution is applicable when creating both low-element and large-aperture headlights. Depending on the specific size of the PAR, only the number of PAR modules and the number of PAR elements in each of them change.

Модуль проходной фазированной антенной решетки может эффективно применяться, например, при построении антенных систем радиолокационных комплексов, как стационарных, так и мобильных, наземного, морского и воздушного базирования, в том числе функционирующих в условиях повышенных механических воздействий.The phased array antenna array module can be effectively used, for example, in the construction of antenna systems for radar systems, both stationary and mobile, land, sea and air based, including those operating under conditions of increased mechanical stress.

Отмеченное выше подтверждает соответствие указанного технического решения критерию "промышленная применимость".The aforementioned confirms the conformity of the specified technical solution to the criterion of "industrial applicability".

Технический результат состоит в обеспечении возможности управления фазовращателями элементов ФАР непосредственно в модуле проходной ФАР при шаге расположения элементов ФАР, позволяющем обеспечить однолучевое электрическое сканирование с максимальным углом отклонения луча от нормали к раскрыву ФАР не менее 45°. Применение таких модулей при построении ФАР с широкоугольным электрическим сканированием луча позволяет существенно уменьшить габариты антенной системы, включающей ФАР и систему управления лучом, значительно упростить коммутацию цепей управления фазовращателями элементов ФАР за счет исключения длинных проводников, соединяющих фазовращатели с системой управления лучом, и в результате повысить технологичность сборки и надежность антенной системы в целом, а также увеличить коэффициент усиления ФАР за счет снижения погрешности установки требуемых фазовых сдвигов в фазовращателях. Использование модулей проходной ФАР в антенных системах с количеством элементов 10000 и более дает возможность сохранить низкое вносимое элементом ФАР ослабление за счет отсутствия необходимости увеличения его длины при большом количестве элементов в модуле ФАР, и, таким образом, сохранить высокий коэффициент усиления ФАР.The technical result consists in providing the ability to control the phase shifters of the PAR elements directly in the pass-through PAR module at the location of the PAR components, which allows for single-beam electric scanning with a maximum angle of beam deviation from the normal to the PAR opening of at least 45 °. The use of such modules in the construction of a phased array with wide-angle electric beam scanning can significantly reduce the dimensions of the antenna system, including a phased array and a beam control system, greatly simplify the switching of control circuits of the phase shifters of the phased array elements by eliminating the long conductors connecting the phase shifters with the beam control system, and as a result increase the manufacturability and reliability of the antenna system as a whole, as well as increase the gain of the HEADLIGHT by reducing the error established Application of required phase shifts in phase shifters. The use of pass-through PAR modules in antenna systems with the number of elements 10000 and more makes it possible to maintain a low attenuation introduced by the PAR element due to the absence of the need to increase its length with a large number of elements in the PAR module, and thus maintain a high gain of the PAR.

ЛитератураLiterature

1. Charles R. Boyd, Jr. Ferrite Phased Array Antennas: Toward a More Affordable Design Approach // 1987 IEEE AP-S International Symposium Digest, Vol. II, 1987. Pp. 1168-1171.1. Charles R. Boyd, Jr. Ferrite Phased Array Antennas: Toward a More Affordable Design Approach // 1987 IEEE AP-S International Symposium Digest, Vol. II, 1987. Pp. 1168-1171.

2. Долгачев A.B. Конструктивно оптимальные неэквидистантные ФАР // Фазотрон. Информационно-аналитический журнал. №1-2 (10), 2007. С.23-27.2. Dolgachev A.B. Structurally Optimal Non-Equidistant PARs // Fazotron. Information and analytical journal. No. 1-2 (10), 2007. P.23-27.

3. Патент России №2461930. Модуль проходной фазированной антенной решетки. Русов Ю.С., Голубцов М.Е., Крехтунов В.М., Нефедов С.И.; МГТУ им. Н.Э. Баумана. Заявл. 30.12.2010. Опубл. 20.09.2012. Бюл. №26.3. Patent of Russia No. 2461930. Pass-through phased array antenna module. Rusov Yu.S., Golubtsov M.E., Krechtunov V.M., Nefedov S.I .; MSTU named after N.E. Bauman. Claim 12/30/2010. Publ. 09/20/2012. Bull. No. 26.

Claims

1. The module of the passage phased array antenna (PAR) containing the base of the module in the form of a printed circuit board, PAR elements connected to the base of the module, each of which contains a housing, receiving and aperture emitters, a phase shifter with leads connected to the contact pads of the printed circuit board of the PAR element as well as an axial displacement limiter, while the base of the module is made in the form of a plate containing printed conductors with contact pads and structural elements that determine the step of placing the PAR elements, and systems of PAR elements are mounted on the plate from at least one of its sides and connected to it, and the contact pads of the printed circuit board of the PAR element are connected to the contact pads of the base of the PAR module, characterized in that the control system drivers are located in the space between the PAR elements beam (SUL), made in the form of integrated circuits and electronic components, and the minimum distance between the axes of adjacent PAR elements does not exceed L = d + t, where d is the transverse dimension of the case of the element Ф P in the area of arrangement of structural elements that determine the step of positioning the PAR elements, at is the transverse dimension of the structural element that defines the step of positioning of PAR elements, in the area of contact of the housing of the PAR element, while the LPS driver provides control of one or more phase shifters of the PAR elements by feeding each phase shifter two bi-polar control voltage pulses with adjustable durations and the interval between them, as well as the control of installed controlled phase shifts and control the integrity of the electric circuits and phase shifters of the PAR elements, and the voltage of the control pulses is determined by the voltage applied to the power bus located on the base of the module, and the duration of the control pulses is transmitted via the data bus located on the base of the module, which also transfers group commands that simultaneously switch phase the state of the PAR elements in the module of the pass-through phased array antenna.

2. The pass-through phased array antenna module according to claim 1, characterized in that the structural elements that determine the pitch of the PAR elements are made in the form of pins installed along the base of the module on both sides of the module, between which the PAR elements are located.

3. The module of the passage phased antenna array according to claim 1, characterized in that the axial displacement limiters of the PAR elements are made in the form of thickenings of their bodies or radiators adjacent directly to the side rib of the base of the module.

4. The pass-through phased array antenna module according to claim 1, characterized in that the SUL driver microcircuit is located in the recess of the base of the module.

5. The module of the pass-through phased antenna array according to claim 1, characterized in that the microcircuit of the SUL driver is made without a case.

6. The pass-through phased array antenna module according to claim 1, characterized in that the printed circuit board of the PAR element contains a cutout between the contact pads in which the electronic components and the SUL driver chip are located.

7. The pass-through phased array antenna module according to claim 1, characterized in that the electronic components of the SUL drivers are located on both sides of the base of the module.

8. The pass-through phased array antenna module according to claim 1, characterized in that the PAR element comprises a waveguide ferrite phase shifter.

9. The pass-through phased array antenna module according to claim 1, characterized in that the PAR element contains a receiving and aperture waveguide-dielectric emitters.