RU2717258C1 - Method of constructing an active phased antenna array - Google Patents

Method of constructing an active phased antenna array Download PDF

Info

Publication number
RU2717258C1
RU2717258C1 RU2019123485A RU2019123485A RU2717258C1 RU 2717258 C1 RU2717258 C1 RU 2717258C1 RU 2019123485 A RU2019123485 A RU 2019123485A RU 2019123485 A RU2019123485 A RU 2019123485A RU 2717258 C1 RU2717258 C1 RU 2717258C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
antenna
channel
output
transmission mode
Prior art date
Application number
RU2019123485A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Владимирович Задорожный
Алексей Александрович Косогор
Александр Юрьевич Ларин
Иван Степанович Омельчук
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС")
Priority to RU2019123485A priority Critical patent/RU2717258C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2717258C1 publication Critical patent/RU2717258C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

FIELD: antenna equipment.
SUBSTANCE: invention relates to antenna engineering and is intended for construction of active phased antenna arrays (APAA) for radio communication and radar systems. At that, for radiation and reception of signals, antenna elements are used, wherein in transmission mode, a transmitted signal is generated, amplified in a power amplifier, distributed using a distribution system, in transmission mode, setting the direction of the transmitting beam using phase changers, receive mode amplifies received signals, converts them by frequency, performs their discretisation and generates receiving pattern by weight summation of signals in digital beam formation system. According to the invention, antenna elements are placed on front panels of multichannel transceiving modules in nodes of rectangular or triangular grid, with pitch along vertical and horizontal, determined by required scanning sector respectively in vertical and horizontal planes, connecting each emitter with a communication line of minimum length to the input / output of one of the channels of the multichannel transceiving module, wherein in the transmitting part of each channel, a power amplifier and a phase shifter are installed, and to isolate the receiving and transmitting parts of the channel, a circulator or switch is used, forming an antenna band of the active phased antenna array from multichannel transceiving modules, by placing them adjacent to each other such that the surfaces of their front panels are located in one plane, and the distance between the radiators is kept constant in the vertical and horizontal planes, wherein the front panels of the transceiving modules function as a screen, generating a heterodyne signal, a sampling clock signal, and distributing said signals through a distribution system to multichannel transceiving modules, in transmission mode transmitting beam is formed with given shape by setting phase and amplitude ratios of transmitted signal in channels of transceiving modules, wherein in the reception mode, the signal at the intermediate frequency is sampled from the output of each channel of the transceiver module, and the receiving beam pattern is formed with the required number of beams.
EFFECT: technical result is reduction of sizes of active phased antenna array.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, а именно к способам построения активных фазированных антенных решеток (АФАР) для систем радиосвязи и радиолокации.The invention relates to antenna technology, and in particular to methods for constructing active phased antenna arrays (AFAR) for radio communication systems and radar.

Известен способ построения фазированной антенной решетки (ФАР) [1 - стр. 661, рис. 13.44, Справочник по радиолокации. / Под ред. М.И. Сколника. М: Техносфера. 2014 г. книга 1. - 672 с.], при котором устанавливают N горизонтальных линеек излучателей, одну над другой и N приемопередатчиков, при этом каждая линейка излучателей содержит М объединенных через делитель мощности излучателей, который в режиме приема работает как сумматор мощности. К входу делителя мощности подключают вход-выход приемопередатчика. Выход формирователя зондирующего сигнала соединяют с делителем мощности по числу линеек излучателей, в каждом приемопередатчике устанавливают фазовращатель. Вход приемной части приемопередатчика соединяют с выходом его передающей части через устройство защиты и циркулятор, а выход - с аналого-цифровым преобразователем.A known method of constructing a phased antenna array (PAR) [1 - p. 661, Fig. 13.44, Guide to Radar. / Ed. M.I. Skolnik. M: Technosphere. 2014 book 1. - 672 pp.], In which N horizontal lines of emitters are installed, one above the other and N transceivers, and each line of emitters contains M combined through a power divider emitters, which in reception mode works as a power adder. To the input of the power divider connect the input-output of the transceiver. The output of the probe signal generator is connected to the power divider according to the number of emitter lines, a phase shifter is installed in each transceiver. The input of the receiving part of the transceiver is connected to the output of its transmitting part through a protection device and a circulator, and the output is connected to an analog-to-digital converter.

Недостатком известного способа является наличие потерь принимаемого сигнала в сумматорах пассивных линеек излучателей. Эти потери вносятся перед малошумящим усилителем (МШУ), поэтому вызывают ухудшение чувствительности АФАР в режиме приема.The disadvantage of this method is the presence of losses of the received signal in the adders of the passive lines of emitters. These losses are introduced before the low-noise amplifier (LNA), therefore, they cause deterioration of the sensitivity of the AFAR in the reception mode.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ построения фазированной антенной решетки [2 - стр. 25, рис. 2.3, 2.5 Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев. 2000 г. - 420 с.], взятый за прототип, при котором объединяют антенные элементы в пассивные линейные подрешетки, внутри которых каждый антенный элемент соединяют через фазовращатель с сумматором подрешетки, который в режиме передачи используют как делитель мощности, при этом в режиме передачи формируют зондирующий сигнал в блоке формирования сигналов, усиливают его в усилителе мощности, делят по числу подрешеток, распределяют на подрешетки с помощью распределительной системы и устанавливают направление передающего луча с помощью фазовращателей подрешеток. В режиме приема объединяют принимаемые сигналы в подрешетках с помощью сумматоров подрешеток, усиливают их, преобразуют по частоте, выполняют дискретизацию и формируют приемную диаграмму направленности (ДН) в системе цифрового диаграммообразования путем весового суммирования сигналов с выходов подрешеток. При этом преобразование в цифровую форму производится квадратурными аналого-цифровыми преобразователями на нулевой частоте, а для развязки приемной и передающей частей используют антенный переключатель.The closest in technical essence to the invention is a method of constructing a phased antenna array [2 - p. 25, Fig. 2.3, 2.5 Kuzmin S.Z. Digital radar. Introduction to the theory. Kiev. 2000 - 420 pp.], Taken as a prototype, in which antenna elements are combined into passive linear sublattices, inside of which each antenna element is connected through a phase shifter to an adder lattice adder, which is used as a power divider in transmission mode, while in transmission mode they form the probe signal in the signal generation unit, amplify it in a power amplifier, divided by the number of sublattices, distributed into sublattices using a distribution system and set the direction of the transmitting beam using phase shifting oil sublattices. In the receiving mode, the combined signals in the sublattices are combined using adders of the sublattices, amplified, converted in frequency, sampled, and a receiving radiation pattern in the digital beamforming system by weighting the signals from the outputs of the sublattices. In this case, conversion to digital form is performed by quadrature analog-to-digital converters at zero frequency, and an antenna switch is used to decouple the receiving and transmitting parts.

Недостатком прототипа является использование в антенной решетке пассивных линейных подрешеток, антенные элементы которых объединяются с помощью сумматоров мощности, что в режиме приема ухудшает чувствительность приемной части АФАР, а в режиме передачи снижает мощность излучаемого сигнала. С учетом того, что в сумматорах диссипативные потери составляют, в зависимости от числа антенных элементов и используемого диапазона частот, от 0,5 до 1,5 дБ, это вызывает увеличение коэффициента шума приемной части на величину от 0,5 до 1,5 дБ. В режиме передачи сумматор работает как делитель мощности, и потери в нем снижают мощность излучаемого сигнала на величину от 0,5 до 1,5 дБ.The disadvantage of the prototype is the use in the antenna array of passive linear sublattices, the antenna elements of which are combined using power adders, which in the reception mode affects the sensitivity of the receiving part of the AFAR, and in the transmission mode reduces the power of the emitted signal. Taking into account the fact that in the adders dissipative losses are, depending on the number of antenna elements and the frequency range used, from 0.5 to 1.5 dB, this causes an increase in the noise figure of the receiving part by a value from 0.5 to 1.5 dB . In the transmission mode, the adder works as a power divider, and losses in it reduce the power of the emitted signal by a value from 0.5 to 1.5 dB.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение потерь сигнала между антенными элементами и приемопередающими модулями (ППМ).The technical problem to which the invention is directed is the reduction of signal loss between antenna elements and transceiver modules (MRP).

Для решения указанной технической проблемы предлагается способ построения активной фазированной антенной решетки, при котором для излучения и приема сигналов используют антенные элементы, при этом в режиме передачи формируют передаваемый сигнал, усиливают его в усилителе мощности, распределяют с помощью распределительной системы, в режиме передачи устанавливают направление передающего луча с помощью фазовращателей, в режиме приема усиливают принимаемые сигналы, преобразуют по частоте, выполняют дискретизацию сигналов и формируют приемную диаграмму направленности путем весового суммирования сигналов в системе цифрового диаграммообразования.To solve this technical problem, we propose a method of constructing an active phased antenna array, in which antenna elements are used to transmit and receive signals, while in the transmission mode they form a transmitted signal, amplify it in a power amplifier, distribute it using a distribution system, and set the direction in transmission mode the transmitting beam with the help of phase shifters, in the receiving mode, amplify the received signals, convert them in frequency, perform sampling of the signals and form Receiving radiation pattern by weighted summation of signals in a digital beamforming system.

Согласно изобретению, размещают антенные элементы на передних панелях многоканальных приемопередающих модулей в узлах прямоугольной или треугольной сетки, с шагом по вертикали и горизонтали, определяемым требуемым сектором сканирования, соответственно, в вертикальной и горизонтальной плоскостях, соединяют каждый излучатель со входом-выходом одного из каналов многоканального приемопередающего модуля, при этом в передающей части каждого канала устанавливают усилитель мощности и фазовращатель, а для развязки приемной и передающей частей канала используют циркулятор или коммутатор, формируют антенное полотно активной фазированной антенной решетки из многоканальных приемопередающих модулей, устанавливая их рядом друг с другом таким образом, чтобы поверхности их передних панелей были расположены в одной плоскости, а расстояние между излучателями сохранялось неизменным в вертикальной и горизонтальной плоскостях, при этом передние панели приемопередающих модулей выполняют функцию экрана, формируют сигнал гетеродина, сигнал дискретизации, и распределяют их на многоканальные приемопередающие модули, в режиме передачи формируют передающий луч с заданной формой путем установки фазовых и амплитудных соотношений передаваемого сигнала в каналах приемопередающих модулей, при этом в режиме приема выполняют дискретизацию сигнала на промежуточной частоте с выхода приемной части каждого канала приемопередающего модуля, а приемную диаграмму направленности формируют с требуемым числом лучей.According to the invention, antenna elements are placed on the front panels of the multichannel transceiver modules in nodes of a rectangular or triangular grid, in vertical and horizontal steps, determined by the required scanning sector, respectively, in the vertical and horizontal planes, connect each radiator with the input-output of one of the channels of the multichannel a transceiver module, while a power amplifier and a phase shifter are installed in the transmitting part of each channel, and for decoupling the receiving and transmitting parts These channels use a circulator or switch, form the antenna sheet of the active phased antenna array from multichannel transceiver modules, installing them next to each other so that the surfaces of their front panels are located in the same plane, and the distance between the emitters remains constant in the vertical and horizontal planes while the front panels of the transceiver modules perform the function of a screen, form a local oscillator signal, a sampling signal, and distribute them into many channel transceiver modules, in the transmit mode form a transmit beam with a given shape by setting the phase and amplitude ratios of the transmitted signal in the channels of the transceiver modules, while in the receive mode, the signal is sampled at an intermediate frequency from the output of the receiving part of each channel of the transceiver module, and the receiving radiation pattern form with the required number of rays.

Техническим результатом предлагаемого способа является снижение размеров активной фазированной антенной решетки.The technical result of the proposed method is to reduce the size of the active phased antenna array.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:A comparative analysis of the claimed method and prototype shows that their difference is as follows:

- в прототипе передаваемый сигнал формируется в блоке формирования сигналов, далее он усиливается в усилителе мощности, полученный сигнал распределяется на все ППМ с помощью распределительной системы. При таком построении сигнал, подаваемый на вход распределительной системы, ослабляется на ее выходе, в зависимости от конструкции системы и количества ППМ, на которые он распределяется, на величину от 3 до 10 дБ. Соответственно в эфир излучается сигнал со сниженной мощностью из-за потерь в распределительной системе. В то время как в предлагаемом способе передаваемый сигнал усиливается в каждом приемопередающем модуле с помощью встроенного усилителя мощности и эти потери отсутствуют;- in the prototype, the transmitted signal is generated in the signal generation unit, then it is amplified in the power amplifier, the received signal is distributed to all the controllers using a distribution system. With this construction, the signal supplied to the input of the distribution system is attenuated at its output, depending on the system design and the number of MRPs to which it is distributed, by 3 to 10 dB. Accordingly, a signal with reduced power is emitted to the ether due to losses in the distribution system. While in the proposed method, the transmitted signal is amplified in each transceiver module using the built-in power amplifier and these losses are absent;

- в прототипе фазированная антенная решетка разделена на пассивные подрешетки, объединяющие антенные элементы с помощью сумматора мощности подрешетки, который в режиме передачи используют как делитель мощности. В то время как в предлагаемом способе антенный элемент соединен линией связи минимальной длины со входом-выходом одного из каналов многоканального приемопередающего модуля. Такое построение сокращает потери выходной мощности зондирующего сигнала и снижает коэффициент шума приемной части по сравнению с прототипом;- in the prototype, the phased antenna array is divided into passive sublattices, combining the antenna elements using an adder power combiner, which is used as a power divider in transmission mode. While in the proposed method, the antenna element is connected by a communication line of minimum length with the input-output of one of the channels of a multi-channel transceiver module. This construction reduces the loss of the output power of the probe signal and reduces the noise figure of the receiving part in comparison with the prototype;

- в прототипе излучающая система антенной решетки формируется из пассивных антенных линеек, в то же время в предлагаемом способе излучающая система антенной решетки формируется из многоканальных ППМ с установленными на передней панели излучателями, при этом ППМ устанавливают рядом друг с другом таким образом, чтобы поверхности их передних панелей были расположены в одной плоскости, а расстояние между излучателями сохранялось неизменным в вертикальной и горизонтальной плоскостях;- in the prototype, the radiating system of the antenna array is formed from passive antenna lines, at the same time in the proposed method the radiating system of the antenna array is formed of multichannel PPMs with emitters mounted on the front panel, while the MRP is installed next to each other so that the surfaces of their front panels were located in one plane, and the distance between the emitters remained unchanged in the vertical and horizontal planes;

- в прототипе электронное сканирование лучей возможно выполнить только в одной плоскости, при расположении пассивных антенных линеек по горизонтали, сканирование возможно только в угломестной плоскости, что сужает функциональные возможности АФАР. В то время как в предлагаемом способе электронное сканирование выполняется в двух плоскостях;- in the prototype, electronic scanning of the rays can be performed only in one plane, with the passive antenna lines horizontal, scanning is possible only in the elevation plane, which reduces the functionality of the AFAR. While in the proposed method, electronic scanning is performed in two planes;

- в прототипе дискретизация принимаемого сигнала производится на нулевой частоте, что требует использования двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП), в предлагаемом способе дискретизация производится на промежуточной частоте с помощью одного АЦП.- in the prototype, the sampling of the received signal is performed at zero frequency, which requires the use of two analog-to-digital converters (ADCs), in the proposed method, sampling is performed at an intermediate frequency using one ADC.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа построения активной фазированной антенной решетки из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.The combination of distinguishing features and properties of the proposed method for constructing an active phased antenna array is not known from the literature, therefore, it meets the criteria of novelty and inventive step.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, обеспечивающего реализацию предложенного способа.In FIG. 1 shows a structural diagram of a device that provides the implementation of the proposed method.

На фиг. 2 приведена структурная схема системы цифрового диаграммообразования.In FIG. 2 is a structural diagram of a digital chart formation system.

На фиг. 3 приведена структурная схема блока управления.In FIG. 3 shows a block diagram of a control unit.

На фиг. 4 приведена структурная схема преобразователя частоты.In FIG. 4 shows a structural diagram of a frequency converter.

На фиг. 5 приведена структурная схема модуля управления и цифровой обработки сигналов.In FIG. 5 is a structural diagram of a control module and digital signal processing.

При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий:When implementing the proposed method, the following sequence of actions is performed:

- размещают антенные элементы на передних панелях многоканальных ППМ в узлах прямоугольной или треугольной сетки, с шагом по вертикали и горизонтали, определяемым требуемым сектором сканирования, соответственно, в вертикальной и горизонтальной плоскостях - 1;- place the antenna elements on the front panels of the multi-channel PPM in the nodes of a rectangular or triangular grid, in vertical and horizontal steps, determined by the required scanning sector, respectively, in the vertical and horizontal planes - 1;

- соединяют каждый излучатель линией связи минимальной длины со входом-выходом одного из каналов многоканального приемопередающего модуля, при этом в передающей части каждого канала устанавливают усилитель мощности и фазовращатель, а для развязки приемной и передающей частей канала используют циркулятор или коммутатор - 2;- connect each emitter with a communication line of minimum length to the input-output of one of the channels of a multichannel transceiver module, while a power amplifier and a phase shifter are installed in the transmitting part of each channel, and a circulator or switch is used to decouple the receiving and transmitting parts of the channel - 2;

- формируют антенное полотно активной фазированной антенной решетки из многоканальных приемопередающих модулей, устанавливая их рядом друг с другом таким образом, чтобы поверхности их передних панелей были расположены в одной плоскости, а расстояние между излучателями сохранялось неизменным в вертикальной и горизонтальной плоскостях, при этом передние панели приемопередающих модулей выполняют функцию экрана -3;- form the antenna fabric of the active phased antenna array of multi-channel transceiver modules, installing them next to each other so that the surfaces of their front panels are located in the same plane, and the distance between the emitters remains unchanged in the vertical and horizontal planes, while the front panels of the transceiver modules perform the function of the screen -3;

- формируют сигнал гетеродина и сигнал дискретизации, и распределяют их с помощью распределительной системы, соответственно, на входы сигнала гетеродина и сигнала дискретизации многоканальных приемопередающих модулей - 4;- generate a local oscillator signal and a sampling signal, and distribute them using a distribution system, respectively, to the inputs of the local oscillator signal and the sampling signal of multi-channel transceiver modules - 4;

- в режиме передачи формируют передаваемый сигнал, усиливают его в усилителе мощности, распределяют с помощью распределительной системы на многоканальные приемопередающие модули - 5;- in the transmission mode, the transmitted signal is formed, amplified in a power amplifier, distributed using a distribution system to multi-channel transceiver modules - 5;

- в режиме передачи устанавливают направление передающего луча с помощью фазовращателей, формируют передающий луч с заданной формой путем установки фазовых и амплитудных соотношений передаваемого сигнала в каналах приемопередающих модулей и излучают его с помощью антенных элементов, подключенных к этим каналам - 6;- in the transmission mode, the direction of the transmitting beam is established using phase shifters, the transmitting beam is formed with a given shape by setting the phase and amplitude ratios of the transmitted signal in the channels of the transceiver modules and emit it using antenna elements connected to these channels - 6;

- в режиме приема усиливают принимаемые антенными элементами сигналы и преобразуют их по частоте в приемной части каждого канала многоканальных приемопередающих модулей, выполняют дискретизацию сигналов на промежуточной частоте с выхода приемной части каждого канала - 7;- in the reception mode, the signals received by the antenna elements are amplified and converted in frequency in the receiving part of each channel of the multichannel transceiver modules, the signals are sampled at an intermediate frequency from the output of the receiving part of each channel - 7;

- формируют приемную диаграмму направленности (ДН) путем весового суммирования сигналов в системе цифрового диаграммообразования, при этом приемную диаграмму направленности формируют с требуемым числом лучей - 8.- form the receiving radiation pattern (NL) by weighting the sum of the signals in a digital beamforming system, while the receiving radiation pattern is formed with the required number of rays - 8.

Реализация предложенного способа построения АФАР возможна, например, с помощью устройства, включающего в себя (фиг. 1) N приемопередающих модулей (ППМ) 1, блок управления (БУ) 2, первый управляющий выход которого подключен к управляющему входу блока формирования сигналов (БФС) 3, второй управляющий выход - ко входу управления системы цифрового диаграммообразования (СЦДО) 4 и N управляющих выходов, подключенных к управляющим входам всех ППМ 1, а вход является входом управления АФАР. Выходы передаваемого сигнала (ПС), сигнала гетеродина FГЕТ сигнала дискретизации FД БФС 3 подключены к распределительной системе (PC) 5.Implementation of the proposed method for constructing an AFAR is possible, for example, using a device that includes (Fig. 1) N transceiver modules (PPM) 1, a control unit (CU) 2, the first control output of which is connected to the control input of the signal generation unit (BFS) 3, the second control output - to the control input of the digital charting system (DTMS) 4 and N control outputs connected to the control inputs of all MRP 1, and the input is the input of the AFAR control. The outputs of the transmitted signal (PS), the local oscillator signal F Get signal sampling signal F D BFS 3 connected to the distribution system (PC) 5.

PC 5 имеет N выходов ПС, соединенных со входами ПС ППМ 1, N выходов дискретизации Fд, соединенных со входами дискретизации ППМ 1, N выходов гетеродина Fгет, соединенных с гетеродинными входами ППМ 1.PC 5 has N outputs PS connected to the inputs of the PS PPM 1, N sampling outputs Fd connected to the sampling inputs PPM 1, N outputs of the local oscillator Fget connected to the heterodyne inputs PPM 1.

ППМ 1 содержат первый и второй делители мощности (ДМ) 6 и 7, входы которых являются соответственно передаваемым и гетеродинным входом ППМ 1, модуль управления и цифровой обработки сигналов (МУЦОС) 8, вход дискретизации которого является входом дискретизации ППМ 1, а управляющий вход является управляющим входом ППМ 1. ППМ 1 содержит также М каналов, каждый из которых содержат последовательно соединенные фазовращатель (ФВ) 9, вход которого является входом канала и соединен с одним из М выходов первого делителя мощности 6, а управляющий вход является первым управляющим входом канала и соединен с одним из управляющих выходов МУЦОС 8, усилитель мощности (УМ) 10, циркулятор Ц 11 и антенный элемент (АЭ) 12.PPM 1 contain the first and second power dividers (DM) 6 and 7, the inputs of which are respectively the transmitted and heterodyne input PPM 1, the control module and digital signal processing (MUZOS) 8, the sampling input of which is the sampling input PPM 1, and the control input is control input PPM 1. PPM 1 also contains M channels, each of which contains a series-connected phase shifter (PV) 9, the input of which is a channel input and connected to one of the M outputs of the first power divider 6, and the control input is I am the first control input of the channel and connected to one of the control outputs of MUCOS 8, a power amplifier (PA) 10, a circulator C 11 and an antenna element (AE) 12.

К выходу циркулятора 11 подключены последовательно соединенные малошумящий усилитель (МШУ) 13, преобразователь частоты (ПРЧ) 14, гетеродинный вход которого является гетеродинным входом канала и подключен к одному из М выходов второго делителя мощности 7, управляющий вход является вторым управляющим входом канала и подключен к одному из управляющих выходов МУЦОС 8, а выход является выходом промежуточной частоты (ПЧ) канала и подключен к одному из входов ПЧ МУЦОС 8.A low-noise amplifier (LNA) 13, a frequency converter (RHF) 14, the heterodyne input of which is the channel heterodyne input and connected to one of the M outputs of the second power divider 7, is connected to the output of the circulator 11, the control input is the second control input of the channel and connected to one of the control outputs of MUCOS 8, and the output is the output of the intermediate frequency (IF) of the channel and is connected to one of the inputs of the IFMOS 8.

Выход данных МУЦОС 8 является выходом данных ППМ 1 и соединен с одним из N входов данных СЦДО 4, управляющий вход МУЦОС 8 является управляющим входом ППМ 1 и соединен с одним из N управляющих выходов БУ 2.The data output of the MUCOS 8 is the data output of the MRP 1 and is connected to one of the N data inputs of the data center 4, the control input of the MUCOS 8 is the control input of the MRP 1 and is connected to one of the N control outputs of the control unit 2.

СЦДО 4 (фиг. 2) имеет К формирователей 15 по числу формируемых лучей, каждый из которых содержит N каналов, при этом входы i-тых каналов (i=1 … N) в формирователях 15 объединены. Каждый канал формирователя 15 содержит перемножитель 16, первый вход которого является входом канала, ко второму входу подключен выход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 17, а выход перемножителя 16 является выходом канала и подключен к одному из N входов цифрового сумматора 18, выход которого подключен к одному из К входов интерфейса (И) 19. Выход интерфейса 19 является выходом СЦДО 4 и всего устройства. СЦДО 4 может быть выполнено, в зависимости от числа ППМ 1 и числа лучей К, в виде одной или нескольких программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).SCDS 4 (Fig. 2) has K formers 15 in the number of generated beams, each of which contains N channels, while the inputs of the i-th channels (i = 1 ... N) in the formers 15 are combined. Each channel of the shaper 15 contains a multiplier 16, the first input of which is a channel input, the output of a read-only memory (ROM) 17 is connected to the second input, and the output of the multiplier 16 is a channel output and connected to one of the N inputs of the digital adder 18, the output of which is connected to one of the K inputs of the interface (I) 19. The output of the interface 19 is the output of the SCMS 4 and the entire device. SCDS 4 can be performed, depending on the number of PPM 1 and the number of rays K, in the form of one or more programmable logic integrated circuits (FPGAs).

Блок управления (БУ) 2 (фиг.З), имеет устройство управления (УУ) 20, вход которого является управляющим входом АФАР. УУ 20 также имеет N+2 управляющих выходов, которые являются управляющими выходами БУ 2. УУ 20 может быть выполнено, в зависимости от числа ППМ 1 и числа лучей К, в виде одной или нескольких программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).The control unit (CU) 2 (Fig.Z), has a control device (CU) 20, the input of which is the control input of the AFAR. UU 20 also has N + 2 control outputs, which are the control outputs of BU 2. UU 20 can be performed, depending on the number of PPM 1 and the number of beams K, in the form of one or more programmable logic integrated circuits (FPGAs).

ПРЧ 14 (фиг. 4) представляет собой последовательно соединенные смеситель (СМ) 21, вход которого является входом ПРЧ 14, а гетеродинный вход - гетеродинным входом ПРЧ 14 и усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 22, выход которого является выходом промежуточной частоты (ПЧ) ПРЧ 14, а управляющий вход - управляющим входом ПРЧ 14.RFP 14 (Fig. 4) is a series-connected mixer (SM) 21, the input of which is the input of the RFI 14, and the heterodyne input is the heterodyne input of the RFI 14 and the intermediate frequency amplifier (IF) 22, the output of which is the output of the intermediate frequency (IF) RFI 14, and the control input - the control input of the RFI 14.

МУЦОС 8 (фиг.5) включает в себя М аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 23, входы которых являются входами ПЧ МУЦОС 8, входы сигнала дискретизации подключены к выходам третьего делителя мощности (ДМ) 24, а выходы подключены ко входам блока управления и обработки (БУО) 25. Первый и второй управляющие выходы БУО 25 являются соответственно первым и вторым управляющим выходами МУЦОС 8. Выход данных и управляющий вход БУО 25 являются соответственно выходом данных и управляющим входом МУЦОС 8. Вход третьего делителя мощности 24 является входом дискретизации МУЦОС 8.MUCOS 8 (Fig. 5) includes M analog-to-digital converters (ADCs) 23, the inputs of which are inputs of the MUCOS 8 IF, the inputs of the sampling signal are connected to the outputs of the third power divider (DM) 24, and the outputs are connected to the inputs of the control unit and processing (BWA) 25. The first and second control outputs of the BWC 25 are respectively the first and second control outputs of the MUCOS 8. The data output and the control input of the BHC 25 are respectively the data output and the control input of the MUHEC 8. The input of the third power divider 24 is a sampling input MUCOS 8.

БФС 3 представляет собой три синтезатора частоты, обеспечивающих формирование передаваемого сигнала ПС, сигнала дискретизации Fд, сигнала гетеродина Fгет и усилитель мощности передаваемого сигнала ПС. При этом могут быть использованы, например, синтезаторы и усилители из [3 - стр. 142-143. Mini-Circuits. RF & Microwave components guide. 2010].BFS 3 is three frequency synthesizers that provide the formation of a transmitted PS signal, a sampling signal Fd, a local oscillator signal Fget, and a power amplifier of the transmitted PS signal. In this case, for example, synthesizers and amplifiers from [3 - pp. 142-143. Mini-Circuits. RF & Microwave components guide. 2010].

PC 5 представляет собой делители мощности, разветвляющие передаваемый сигнал ПС, сигнал дискретизации Fд, и сигнал гетеродина Fгет на N выходов с помощью делителей мощности [3 - стр. 136 -140].PC 5 is a power divider that branches the transmitted PS signal, a sampling signal Fd, and a local oscillator signal Fget into N outputs using power dividers [3 - p. 136 -140].

В режиме передачи АФАР формирует передающую диаграмму направленности (ДН) путем установки в ППМ 1 требуемых фазовых соотношений регулировкой сдвига фазы передающего сигнала ПС в фазовращателях 9. При необходимости, амплитудное распределение в АФАР может быть установлено соответствующим выбором делителей мощности в PC 5.In the transmission mode, the AFAR generates a transmitting radiation pattern (NF) by setting the required phase relationships in the PMF 1 by adjusting the phase shift of the transmitting signal of the PS in the phase shifters 9. If necessary, the amplitude distribution in the AFAR can be set by the appropriate choice of power dividers in PC 5.

Для случая плоской прямоугольной АФАР, апертура которой содержит Nx АЭ 12, установленных вдоль координаты X на расстоянии dx, и Ny АЭ 12, установленных вдоль координаты Y, на расстоянии dy, диаграмма направленности F(ϕ, θ) определяется как [2 - стр. 27-28]:For the case of a flat rectangular AFAR, the aperture of which contains N x AE 12 installed along the X coordinate at a distance of d x , and N y AE 12 installed along the Y coordinate at a distance of d y , the radiation pattern F (ϕ, θ) is defined as [ 2 - p. 27-28]:

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
Where
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

где Axi,Ayj- коэффициенты амплитудного распределения вдоль координат X и Y соответственно;where A xi , A yj are the coefficients of the amplitude distribution along the coordinates X and Y, respectively;

ψxi, ψyi - коэффициенты фазового распределения, представленные в виде фазовых сдвигов в фазовращателях 9, после которых сигнал усиливается в УМ 10, и через циркулятор 11 поступает на АЭ 12, которые расположены вдоль координат X и Y соответственно.ψ xi , ψ yi are the phase distribution coefficients, presented in the form of phase shifts in the phase shifters 9, after which the signal is amplified in the PA 10, and through the circulator 11 enters the AE 12, which are located along the X and Y coordinates, respectively.

После поступления передающего сигнала ПС на подключенный к этому каналу антенный элемент (АЭ) 12 по соединительной цепи минимальной длины он излучается в пространство. После излучения ПС АФАР переходит в режим приема.After the transmitting signal PS arrives at the antenna element (AE) 12 connected to this channel, it is radiated into space via a connecting circuit of minimum length. After radiation PS AFAR goes into reception mode.

В режиме приема принимаемые отраженные сигналы с выхода каждого АЭ 12 в каждом ППМ 1 проходят через циркулятор 11, усиливаются в МШУ 13, преобразуются по частоте в ПРЧ 14 и представляются в виде цифровых отсчетов Smn(t) с помощью АЦП 23.In the receiving mode, the received reflected signals from the output of each AE 12 in each MRP 1 pass through the circulator 11, amplified in the LNA 13, converted in frequency to the RF 14 and presented as digital samples S mn (t) using the ADC 23.

Из полученных цифровых отсчетов формируют приемную одно- или многолучевую ДН путем взвешенного суммирования в СЦДО 4. Число формируемых лучей определяется назначением АФАР.From the received digital readings, a single or multi-beam receiving beam is formed by weighted summation in DSS 4. The number of generated beams is determined by the purpose of the AFAR.

Отсчеты i-го луча с направлением максимума ϕi, θi вычисляются путем умножения цифрового потока с каждого ППМ 1 в перемножителях 16 на весовой множитель Wmn(ϕi, θi) из ПЗУ 17 и суммирования в цифровом сумматоре 18. Диаграмма направленности для i-го луча имеет видSamples of the i-th beam with the maximum direction ϕ i , θ i are calculated by multiplying the digital stream from each PPM 1 in the multipliers 16 by the weight factor W mn (ϕ i , θ i ) from the ROM 17 and summing in the digital adder 18. The radiation pattern for i-ray has the form

Figure 00000004
Figure 00000004

где

Figure 00000005
Where
Figure 00000005

Сформированные отсчеты К приемных лучей с выходов формирователей 15 поступают в интерфейс 19, где преобразуются в последовательную форму и в виде последовательных кодов передаются на выход АФАР.The generated samples K of the receiving beams from the outputs of the shapers 15 enter interface 19, where they are converted into serial form and transmitted in the form of serial codes to the output of the AFAR.

В предлагаемом способе усилители мощности 10 установлены в каждом канале многоканального ППМ и его выход через циркулятор 11 и линию связи минимальной длины соединен с антенным элементом 12. В то время как в прототипе сигнал с выхода усилителя мощности поступает на распределительную систему, где он ослабляется на величину от 3 до 10 дБ в зависимости от конструкции и количества ППМ. Соответственно, в прототипе в эфир излучается сигнал со сниженной мощностью из-за потерь в распределительной системе. Таким образом, в предлагаемом способе потери передаваемого сигнала ниже на величину от 3 до 10 дБ, чем в прототипе.In the proposed method, power amplifiers 10 are installed in each channel of the multi-channel PPM and its output through the circulator 11 and the communication line of minimum length is connected to the antenna element 12. While in the prototype, the signal from the output of the power amplifier goes to the distribution system, where it is attenuated by from 3 to 10 dB, depending on the design and the number of PPM. Accordingly, in the prototype, a signal with reduced power is emitted into the ether due to losses in the distribution system. Thus, in the proposed method, the loss of the transmitted signal is lower by 3 to 10 dB than in the prototype.

В режиме приема в предлагаемом способе потери принимаемого сигнала ниже, чем в прототипе, за счет коротких линий связи между антенными элементами 12 и входом-выходом одного из канала многоканального ППМ 1. Такое построение в режиме приема снижает коэффициент шума приемной части АФАР, по сравнению с прототипом, на величину потерь в сумматоре-делителе мощности из состава антенной линейки прототипа, которые составляют, в зависимости от числа антенных элементов и используемого диапазона частот, величину от 0,5 до 1,5 дБ.In the reception mode in the proposed method, the loss of the received signal is lower than in the prototype due to the short communication lines between the antenna elements 12 and the input-output of one of the channels of the multi-channel PPM 1. Such a construction in the reception mode reduces the noise figure of the receiving part of the AFAR, compared with the prototype, the amount of loss in the adder-divider power from the antenna line of the prototype, which are, depending on the number of antenna elements and the frequency range used, a value from 0.5 to 1.5 dB.

Работоспособность предлагаемого способа была проверена на макете устройства (фиг. 1). Испытания показали совпадение полученных характеристик с расчетными.The performance of the proposed method was tested on the layout of the device (Fig. 1). Tests showed the coincidence of the obtained characteristics with the calculated ones.

Claims (1)

Способ построения активной фазированной антенной решетки, при котором для излучения и приема сигналов используют антенные элементы, при этом в режиме передачи формируют передаваемый сигнал, усиливают его в усилителе мощности, распределяют с помощью распределительной системы, в режиме передачи устанавливают направление передающего луча с помощью фазовращателей, в режиме приема усиливают принимаемые сигналы, преобразуют по частоте, выполняют дискретизацию сигналов и формируют приемную диаграмму направленности путем весового суммирования сигналов в системе цифрового диаграммообразования, отличающийся тем, что размещают антенные элементы на передних панелях многоканальных приемопередающих модулей в узлах прямоугольной или треугольной сетки, с шагом по вертикали и горизонтали, определяемым требуемым сектором сканирования соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях, соединяют каждый излучатель со входом-выходом одного из каналов многоканального приемопередающего модуля, при этом в передающей части каждого канала устанавливают усилитель мощности и фазовращатель, а для развязки приемной и передающей частей канала используют циркулятор или коммутатор, формируют антенное полотно активной фазированной антенной решетки из многоканальных приемопередающих модулей, устанавливая их рядом друг с другом таким образом, чтобы поверхности их передних панелей были расположены в одной плоскости, а расстояние между излучателями сохранялось неизменным в вертикальной и горизонтальной плоскостях, при этом передние панели приемопередающих модулей выполняют функцию экрана, формируют сигнал гетеродина, сигнал дискретизации и распределяют их на многоканальные приемопередающие модули, в режиме передачи формируют передающий луч с заданной формой путем установки фазовых и амплитудных соотношений передаваемого сигнала в каналах приемопередающих модулей, при этом в режиме приема выполняют дискретизацию сигнала на промежуточной частоте с выхода приемной части каждого канала приемопередающего модуля, а приемную диаграмму направленности формируют с требуемым числом лучей.A method of constructing an active phased array antenna, in which antenna elements are used for emission and reception of signals, while in the transmission mode they form a transmitted signal, amplify it in a power amplifier, distribute using a distribution system, in the transmission mode, set the direction of the transmitting beam using phase shifters, in the receive mode, they amplify the received signals, convert them in frequency, perform signal sampling and form the receiving radiation pattern by weight summing signal generation in a digital beamforming system, characterized in that the antenna elements are placed on the front panels of the multichannel transceiver modules in nodes of a rectangular or triangular grid, with vertical and horizontal steps determined by the required scanning sector, respectively, in the vertical and horizontal planes, connect each radiator to the input - the output of one of the channels of the multichannel transceiver module, while a power amplifier is installed in the transmitting part of each channel phase shifter, and for decoupling the receiving and transmitting parts of the channel using a circulator or switch, form the antenna fabric of the active phased antenna array of multi-channel transceiver modules, installing them next to each other so that the surfaces of their front panels are located in the same plane, and the distance between emitters remained unchanged in the vertical and horizontal planes, while the front panels of the transceiver modules act as a screen, form a get the homeland, the sampling signal and distribute them to multichannel transceiver modules, in the transmission mode form a transmitting beam with a given shape by setting the phase and amplitude ratios of the transmitted signal in the channels of the transceiver modules, while in the reception mode, the signal is sampled at an intermediate frequency from the output of the receiving part of each channel transceiver module, and the receiving radiation pattern is formed with the required number of rays.
RU2019123485A 2019-07-19 2019-07-19 Method of constructing an active phased antenna array RU2717258C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019123485A RU2717258C1 (en) 2019-07-19 2019-07-19 Method of constructing an active phased antenna array

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019123485A RU2717258C1 (en) 2019-07-19 2019-07-19 Method of constructing an active phased antenna array

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2717258C1 true RU2717258C1 (en) 2020-03-19

Family

ID=69898399

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019123485A RU2717258C1 (en) 2019-07-19 2019-07-19 Method of constructing an active phased antenna array

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2717258C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2758569C1 (en) * 2020-12-08 2021-10-29 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Полярный геофизический институт" Method for constructing a mobile active phased array antenna
RU2774214C1 (en) * 2021-05-31 2022-06-16 Сергей Евгеньевич Мищенко Method for building a beam formation system of a receiving digital antenna array

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2338307C1 (en) * 2007-11-06 2008-11-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" Active phased antenna array
RU2451373C1 (en) * 2010-09-10 2012-05-20 Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Active phased array
RU2531562C2 (en) * 2012-11-14 2014-10-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг РФ) Active phased antenna array
EP2975688A1 (en) * 2014-07-15 2016-01-20 Alcatel Lucent Antenna feed and method of configuring an antenna feed
RU2592731C1 (en) * 2015-04-27 2016-07-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Method of constructing antenna array
WO2017157087A1 (en) * 2016-03-14 2017-09-21 Corbett Rowell Hybrid beam-forming antenna array using selection matrix for antenna phase calibration

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2338307C1 (en) * 2007-11-06 2008-11-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" Active phased antenna array
RU2451373C1 (en) * 2010-09-10 2012-05-20 Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Active phased array
RU2531562C2 (en) * 2012-11-14 2014-10-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг РФ) Active phased antenna array
EP2975688A1 (en) * 2014-07-15 2016-01-20 Alcatel Lucent Antenna feed and method of configuring an antenna feed
RU2592731C1 (en) * 2015-04-27 2016-07-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Method of constructing antenna array
WO2017157087A1 (en) * 2016-03-14 2017-09-21 Corbett Rowell Hybrid beam-forming antenna array using selection matrix for antenna phase calibration

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев. 2000 г., стр. 25, рис. 2.3, 2.5. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2758569C1 (en) * 2020-12-08 2021-10-29 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Полярный геофизический институт" Method for constructing a mobile active phased array antenna
RU2774214C1 (en) * 2021-05-31 2022-06-16 Сергей Евгеньевич Мищенко Method for building a beam formation system of a receiving digital antenna array
RU2792206C1 (en) * 2022-04-12 2023-03-20 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Полярный геофизический институт" Mobile sw/mw floating wave channel antenna system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10979117B2 (en) Method, system and apparatus for beam forming in a radio frequency transceiver with reduced complexity
US20200186262A1 (en) Distributed system for radio frequency environment simulation
US9124361B2 (en) Scalable, analog monopulse network
CN111381213B (en) Electronic device, radar device, and radar control method
CN110320500A (en) A kind of high integration, inexpensive Connectors for Active Phased Array Radar radio-frequency front-end
EP3494614B1 (en) Method and transmitter for transmit beamforming in a wireless communication system
CN103229355A (en) Low cost, active antenna arrays
RU2010106098A (en) SYSTEM TO SIMPLIFY THE PROCESSING OF A RECONFIGURABLE DIAGRAM FORMING DIAGRAM IN A PHASED ANTENNA ARRAY FOR A TELECOMMUNICATION SATELLITE
JP2012222725A (en) Active array antenna device
CN107850663B (en) Transmission module, array antenna device provided with same, and transmission device
RU2697194C1 (en) Method of constructing an active phased antenna array
RU2717258C1 (en) Method of constructing an active phased antenna array
RU2697389C1 (en) Combined radar and communication system on radio photon elements
RU2730120C1 (en) Method of constructing an active phased antenna array
RU2410804C1 (en) Multibeam active antenna array
Wu Digital array radar: Technology and trends
RU2732803C1 (en) Method for digital formation of beam pattern of active phased antenna array during radiation and reception of linear-frequency-modulated signals
Paulsen et al. Impact: a low cost, reconfigurable, digital beamforming common module building block for next generation phased arrays
Pshenichkin et al. The System of Summed Signals' Phase Correction of Solid State Amplifiers in Output Stages of Transmitters in Perspective Radars
KR101990076B1 (en) Phased array radar
JP6502218B2 (en) Transmit / receive module and active phased array antenna
RU2610833C1 (en) Space scanning method
CN114336055A (en) Broadband two-dimensional active time control array based on two-stage time delay
RU2626623C1 (en) Multichannel digital receiving module with optical channels of information exchange, control and chronization
RU171330U1 (en) Multichannel transceiver module of an active phased array antenna