RU2744567C1 - Frequency-independent active multi-beam antenna array - Google Patents
Frequency-independent active multi-beam antenna array Download PDFInfo
- Publication number
- RU2744567C1 RU2744567C1 RU2020124772A RU2020124772A RU2744567C1 RU 2744567 C1 RU2744567 C1 RU 2744567C1 RU 2020124772 A RU2020124772 A RU 2020124772A RU 2020124772 A RU2020124772 A RU 2020124772A RU 2744567 C1 RU2744567 C1 RU 2744567C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- coordinate
- aperture
- emitters
- map
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q21/00—Antenna arrays or systems
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенным решеткам СВЧ диапазона, и может использоваться в качестве передающей или приемной многолучевой антенны для широкополосных средств радиолокации, радиомониторинга и связи.The invention relates to the field of radio engineering, namely to antenna arrays of the microwave range, and can be used as a transmitting or receiving multi-beam antenna for broadband radar, radio monitoring and communication.
Известно, что параметры диаграмм направленности (ДН) апертурных антенн и антенных решеток однозначно определяются амплитудно-фазовым распределением (АФР) поля в раскрыве. Наиболее узкие ДН формируются при равноамплитудном синфазном возбуждении раскрыва. При введении спадающего амплитудного распределения или при расфазировке раскрыва имеет место расширение ДН. Используя это обстоятельство, можно скомпенсировать зависимость ширины ДН от частоты путем формирования такого частотно-зависимого АФР, при котором ширина ДН будет оставаться практически неизменной или изменяться в допустимых пределах в полосе частот шириной в несколько октав [1]. В зависимости от того, какое из распределений поля в раскрыве антенны является частотно-зависимым: амплитудное или фазовое, методы частотной стабилизации параметров ДН подразделяются на амплитудные и фазовые.It is known that the parameters of the directional patterns (DP) of aperture antennas and antenna arrays are uniquely determined by the amplitude-phase distribution (AFD) of the field in the aperture. The narrowest MDs are formed with equal-amplitude in-phase excitation of the aperture. When a falling amplitude distribution is introduced or when the aperture is out of phase, the MD expands. Using this circumstance, it is possible to compensate for the dependence of the BP width on frequency by forming such a frequency-dependent APR, in which the BP width will remain practically unchanged or vary within acceptable limits in a frequency band several octaves wide [1]. Depending on which of the field distributions in the antenna aperture is frequency-dependent: amplitude or phase, the methods of frequency stabilization of the RP parameters are divided into amplitude and phase.
В основе амплитудных методов лежит принцип электродинамического подобия, а их реализация при неизменном от частоты фазовом распределении достигается путем формирования частотно-зависимого амплитудного распределения, при котором с возрастанием частоты размер эквивалентного раскрыва уменьшается, оставаясь в длинах волн постоянным.The amplitude methods are based on the principle of electrodynamic similarity, and their implementation with the phase distribution unchanged from frequency is achieved by forming a frequency-dependent amplitude distribution, in which the size of the equivalent aperture decreases with increasing frequency, remaining constant in wavelengths.
Фазовые методы характеризуются частотно-зависимым фазовым распределением поля в раскрыве при неизменном от частоты амплитудном распределении. Эти методы относятся к компенсационным, поскольку убывание ширины ДН с ростом частоты компенсируется за счет возрастания расфазировки раскрыва. В статье [1] показано, что для линейных антенных решеток формирование стабильных не только по ширине, но и по форме ДН достигается в полосе частот с перекрытием не менее 10:1 при спадающем косинусоидальном амплитудном распределении с нулевой амплитудой на краях решетки в совокупности с квадратичным фазовым распределением, имеющим линейный характер изменения от частоты.Phase methods are characterized by a frequency-dependent phase distribution of the field in the aperture with the amplitude distribution unchanged from frequency. These methods are referred to as compensation methods, since the decrease in the width of the pattern with increasing frequency is compensated for by an increase in the misphasing of the aperture. It is shown in [1] that for linear antenna arrays, the formation of stable patterns not only in width, but also in shape is achieved in a frequency band with an overlap of at least 10: 1 with a falling cosine amplitude distribution with zero amplitude at the edges of the array in combination with a quadratic phase distribution, which has a linear character of change with frequency.
Технические решения, характеризующие современный уровень техники формирования частотно-независимых ДН многолучевых антенных решеток (MAP), описаны в приведенных ниже патентах - аналогах.Technical solutions characterizing the current state of the art of forming frequency-independent patterns of multi-beam antenna arrays (MAP) are described in the following patents - analogs.
Известна линейная MAP (патент US №3911442 МПК H01Q 19/06) [2], в которой применен амплитудный метод. MAP возбуждается с помощью диаграммообразующего устройства (ДОУ) на основе линзы Ротмана, в которой за счет применения в цепях возбуждения периферийных излучателей фильтров - аттенюаторов со специальными частотными характеристиками формируется спадающее на краях раскрыва распределение амплитуд, изменяющееся с частотой таким образом, что линейный размер эффективно возбуждаемого (эквивалентного) раскрыва решетки с ростом частоты сокращается, оставаясь в длинах волн постоянным, что и обеспечивает стабилизацию ширины парциальных ДН в полосе рабочих частот. К недостаткам указанного технического решения следует отнести невозможность практического осуществления набора фильтров с различными амплитудно-частотными характеристиками, которые обладали бы при этом идентичными или очень близкими фазо-частотными характеристиками для сохранения в полосе частот задаваемых ДОУ фаз возбуждения излучателей.Known linear MAP (US patent No. 3911442 IPC H01Q 19/06) [2], which applied the amplitude method. MAP is excited using a diagramming device (DOW) based on a Rotman lens, in which, due to the use of peripheral emitters in the excitation circuits of filters - attenuators with special frequency characteristics, a decaying amplitude distribution at the edges of the aperture is formed, changing with frequency in such a way that the linear size of the effectively excited The (equivalent) opening of the grating decreases with increasing frequency, remaining constant in wavelengths, which ensures the stabilization of the width of the partial RPs in the operating frequency band. The disadvantages of this technical solution include the impossibility of practical implementation of a set of filters with different amplitude-frequency characteristics, which would have identical or very close phase-frequency characteristics in order to preserve the excitation phases of the emitters in the frequency band set by the DOA.
Известна линейная MAP (патент US №3964069 МПК H01Q 19/06) [3], применяющая амплитудный метод. ДОУ этой MAP содержит многослойную печатную структуру, в которой над выходными полосковыми цепями введены расширяющиеся к периферии дугообразные полосы из радиопоглощающего материала (РПМ) со специальными частотными характеристиками, за счет чего формируется частотно-зависимое спадающее распределение амплитуд, обеспечивающее стабилизацию параметров парциальных ДН MAP в полосе рабочих частот. Недостатками указанного технического решения являются затруднения в реализации физически тонкого частотно-зависимого РПМ с эффективным затуханием пропорционально возрастанию частоты, а также значительное влияние РПМ, как магнитодиэлектрика, на фазировку выходных цепей ДОУ.Known linear MAP (US patent No. 3964069 IPC H01Q 19/06) [3], using the amplitude method. The DOE of this MAP contains a multilayer printed structure, in which, above the output strip circuits, arc-shaped strips of radio-absorbing material (RFM) with special frequency characteristics, expanding to the periphery, are introduced, due to which a frequency-dependent falling amplitude distribution is formed, which ensures the stabilization of the parameters of the partial AP MAP in the band working frequencies. The disadvantages of this technical solution are difficulties in the implementation of a physically thin frequency-dependent RPM with effective attenuation in proportion to the increase in frequency, as well as a significant effect of RPM, as a magnetodielectric, on the phasing of the output circuits of the DOE.
Общим недостатком для приведенных выше MAP, построенных на основе амплитудных методов, является то, что с возрастанием частоты амплитуда возбуждения излучателей, расположенных на периферии решетки, снижается вплоть до нуля, т.е. на высокочастотной границе полосы рабочих частот фактически работает только центральная часть раскрыва решетки, при этом сокращение эквивалентного раскрыва MAP практически равно коэффициенту перекрытия полосы рабочих частот. Для передающих активных решеток такое построение неприемлемо, так как в этом случае с ростом частоты стабилизация ширины ДН сопровождается снижением энергетического потенциала обратно пропорционально частоте за счет снижения суммарной выходной мощности усилительных приборов, возбуждающих излучатели, эффективно участвующие в формировании ДН.A common disadvantage for the above MAPs built on the basis of amplitude methods is that with increasing frequency, the excitation amplitude of the radiators located at the array periphery decreases down to zero, i.e. at the high-frequency edge of the operating frequency band, only the central part of the array aperture actually operates, while the reduction of the equivalent MAP aperture is practically equal to the bandwidth overlap ratio. For transmitting active gratings, such a construction is unacceptable, since in this case, with an increase in frequency, stabilization of the BP width is accompanied by a decrease in the energy potential inversely proportional to the frequency due to a decrease in the total output power of the amplifying devices that excite the emitters that effectively participate in the formation of the BP.
Указанные недостатки амплитудных методов в основном преодолены при построении широкополосных MAP с применением фазовых методов.The indicated disadvantages of the amplitude methods are mainly overcome when constructing broadband MAPs using phase methods.
Наиболее близкой по технической сущности является, выбранная за прототип, активная линейная MAP, представленная в патенте US 8466848 МПК H01Q 21/00 [4], применяющая фазовый метод и предназначенная для работы в трехкратной полосе частот от 6 ГГц до 18 ГГц. Согласно описанию прототипа, частотная стабилизация ширины и формы парциальных ДН может быть осуществлена в MAP, работающих как в режиме приема, так и передачи сигналов, как с фиксированными, так и сканирующими лучами.The closest in technical essence is, chosen for the prototype, an active linear MAP, presented in US patent 8466848 IPC H01Q 21/00 [4], using a phase method and designed to operate in a threefold frequency band from 6 GHz to 18 GHz. According to the description of the prototype, frequency stabilization of the width and shape of the partial patterns can be carried out in MAPs operating in both reception and transmission modes, both with fixed and scanning beams.
Кроме этого, формирование требуемых амплитудных и фазовых распределений может осуществляться либо в оптическом, либо в радиочастотном диапазоне или в их комбинации. В прототипе устранены недостатки, присущие аналогам, а главное, для активных передающих решеток за счет неизменного по частоте амплитудного распределения устранена зависимость энергетического потенциала от частоты. Известная активная линейная MAP, работающая в режиме передачи сигналов, состоит из оптического ДОУ, четыре входа которого предназначены для формирования четырех фиксированных парциальных лучей, перекрывающих в пространстве сектор углов 90°, а шестнадцать выходов ДОУ с помощью волоконно-оптических линий связи соединены с входами шестнадцати оптических модуляторов, выходами связанных с входами однотипных усилителей мощности, выходами соединенных с входами шестнадцати равномерно расположенных излучателей. Коэффициенты передачи оптических модуляторов выбраны таким образом, что на входах усилителей амплитуды сигналов распределяются по квадратичному закону со снижением уровня на крайних элементах относительно центральных, а длина оптических линий передачи возрастает от центральных элементов к крайним, таким образом, что формируется распределение задержки сигналов, величина которой возрастает от центральных элементов к крайним также по квадратичному закону. Наличие фиксированного дополнительного распределения задержки приводит к частотно-зависимой квадратичной расфазировке элементов решетки, возрастающей пропорционально частоте, и в совокупности со спадающим амплитудным распределением является фактором, компенсирующим убывание ширины парциальных ДН с возрастанием частоты, наблюдаемое в решетках с синфазным или линейным фазовым распределением. В прототипе устранены недостатки, присущие аналогам, а главное, для активных передающих решеток за счет неизменного по частоте амплитудного распределения устранена зависимость энергетического потенциала от частоты.In addition, the formation of the required amplitude and phase distributions can be carried out either in the optical or in the radio frequency range or in their combination. In the prototype, the disadvantages inherent in analogs are eliminated, and most importantly, for active transmitting gratings due to the amplitude distribution that is constant in frequency, the dependence of the energy potential on frequency is eliminated. The well-known active linear MAP, operating in the signal transmission mode, consists of an optical PTA, four inputs of which are designed to form four fixed partial beams that overlap a sector of 90 ° angles in space, and sixteen outputs of the PTA are connected to the inputs of sixteen by means of fiber-optic communication lines. optical modulators, outputs connected to the inputs of the same type of power amplifiers, outputs connected to the inputs of sixteen evenly spaced emitters. The transmission coefficients of the optical modulators are chosen in such a way that at the inputs of the amplifiers the signal amplitudes are distributed according to a quadratic law with a decrease in the level at the extreme elements relative to the central ones, and the length of the optical transmission lines increases from the central elements to the extreme ones, in such a way that the distribution of the signal delay is formed, the value of which is increases from the central elements to the extreme ones also according to the quadratic law. The presence of a fixed additional delay distribution leads to a frequency-dependent quadratic misphasing of the array elements, which increases in proportion to the frequency, and in combination with a decreasing amplitude distribution is a factor that compensates for the decrease in the width of partial RPs with increasing frequency, observed in gratings with in-phase or linear phase distribution. In the prototype, the disadvantages inherent in analogs are eliminated, and most importantly, for active transmitting gratings due to the amplitude distribution that is constant in frequency, the dependence of the energy potential on frequency is eliminated.
Однако, прототип имеет ряд недостатков, ограничивающих область его применения при построении активных передающих MAP.However, the prototype has a number of drawbacks that limit its scope in constructing active transmitting MAPs.
Во-первых, квадратичная зависимость, выбранная авторами прототипа в качестве функции распределения амплитуды, не является оптимальной для формирования частотно-независимых парциальных ДН в широкой полосе частот. В приведенных в описании патента расчетных ДН для верхней границы рабочих частот 18 ГГц наблюдается искажение (уплощение) вершины главного лепестка. Дальнейшее возрастание частоты сопровождается снижением коэффициента усиления в направлении электрических осей парциальных лучей с формированием «двугорбой» вершины главного лепестка ДН, что ограничивает полосу рабочих частот прототипа в пределах полутора октав по критерию сохранения формы ДН.First, the quadratic dependence, chosen by the authors of the prototype as the amplitude distribution function, is not optimal for the formation of frequency-independent partial patterns in a wide frequency band. In the calculated RPs given in the patent description for the upper limit of the operating frequencies of 18 GHz, distortion (flattening) of the top of the main lobe is observed. A further increase in frequency is accompanied by a decrease in the gain in the direction of the electric axes of the partial beams with the formation of a "two-humped" top of the main lobe of the pattern, which limits the operating frequency band of the prototype within one and a half octaves according to the criterion of maintaining the pattern of the pattern.
Во-вторых, для достижения наилучших характеристик активных передающих MAP мощные СВЧ усилители мощности, входящие в их состав, должны иметь идентичные амплитудные и фазовые передаточные характеристики в широкой полосе частот. С этой целью при проектировании активных MAP применяются усилители одного и того же типа, выпускаемые с применением одной технологии, например, технологии производства монолитных интегральных схем СВЧ-диапазона, что гарантирует идентичность их характеристик. Однако передаточные характеристики усилителей являются идентичными только в случае идентичности условий их возбуждения и нагрузки и значительно отличаются от номинальных при изменении уровня их возбуждения. Именно поэтому в известных эффективных конструкциях MAP усилители работают в режиме максимальной выходной мощности и даже, зачастую, в режиме насыщения. Эксплуатация однотипных усилителей с различными уровнями их возбуждения с целью формирования спадающего амплитудного распределения в раскрыве передающих MAP путем принудительного снижения их выходной мощности приводит к разбросу их амплитудных и фазовых передаточных характеристик, что влечет за собой искажение формы парциальных ДН и снижение энергетической эффективности активных MAP, особенно в высокочастотной области и, как следствие, ограничение полосы рабочих частот.Second, in order to achieve the best characteristics of active transmitting MAPs, the high-power microwave power amplifiers included in their composition must have identical amplitude and phase transfer characteristics over a wide frequency band. To this end, when designing active MAPs, amplifiers of the same type are used, produced using the same technology, for example, the technology of manufacturing monolithic integrated circuits in the microwave range, which guarantees the identity of their characteristics. However, the transfer characteristics of the amplifiers are identical only if the conditions of their excitation and load are identical and differ significantly from the nominal ones when the level of their excitation changes. That is why, in the well-known efficient MAP designs, amplifiers operate at maximum output power and even, often, in saturation mode. The operation of amplifiers of the same type with different levels of their excitation in order to form a falling amplitude distribution in the aperture of the transmitting MAPs by forcibly reducing their output power leads to a scatter of their amplitude and phase transfer characteristics, which entails a distortion of the shape of partial RPs and a decrease in the energy efficiency of active MAPs, especially in the high-frequency region and, as a consequence, the limitation of the operating frequency band.
Кроме этого, принудительное снижение выходной мощности периферийных усилителей согласно амплитудному распределению прототипа сопровождается снижением их суммарной выходной мощности на 2 дБ по сравнению с суммарной мощностью СВЧ усилителей, работающих в режиме максимальной выходной мощности, что влечет за собой снижение энергетического потенциала MAP также на 2 дБ по сравнению с максимально возможным. Современные мощные твердотельные СВЧ усилители все еще остаются чрезвычайно дорогими устройствами, поэтому их использование в режиме пониженной выходной мощности не оправдано также и с экономической точки зрения. Применение же различных по мощности и конструкции СВЧ усилителей для формирования спадающего амплитудного распределения в раскрыве значительно ухудшает эксплуатационные характеристики MAP и усложняет их унификацию и настройку.In addition, the forced decrease in the output power of peripheral amplifiers according to the amplitude distribution of the prototype is accompanied by a decrease in their total output power by 2 dB compared to the total power of microwave amplifiers operating in the maximum output power mode, which entails a decrease in the MAP energy potential also by 2 dB in compared to the maximum possible. Modern high-power solid-state microwave amplifiers are still extremely expensive devices, so their use in the mode of reduced output power is also not justified from an economic point of view. The use of microwave amplifiers of different power and design for the formation of a falling amplitude distribution in the aperture significantly degrades the operational characteristics of the MAP and complicates their unification and tuning.
Таким образом, в режиме передачи реализовать с помощью известной MAP неравномерное спадающее распределение амплитуд без снижения энергетического потенциала невозможно.Thus, in the transmission mode, it is impossible to implement an uneven falling amplitude distribution using the known MAP without reducing the energy potential.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является повышение энергетической эффективности передающих широкополосных активных линейных MAP за счет работы усилителей в режиме максимальной выходной мощности при сохранении практически постоянной ширины и формы парциальных ДН в полосе рабочих частот.The main task to be solved by the claimed device is to increase the energy efficiency of transmitting broadband active linear MAPs due to the operation of the amplifiers in the maximum output power mode while maintaining an almost constant width and shape of the partial BP in the operating frequency band.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение формирования частотно-независимых ДН парциальных лучей при равно амплитудном возбуждении излучателей и расширение полосы рабочих частот активных линейных MAP.The technical result of the proposed invention is to ensure the formation of frequency-independent MD of partial beams with equal amplitude excitation of the emitters and the expansion of the operating frequency band of active linear MAPs.
Указанный технический результат достигается тем, что в частотно-независимой активной многолучевой антенной решетке (MAP), включающей диаграммобразующее устройство (ДОУ), имеющее Р входных каналов, количество которых равно числу формируемых лучей в пределах углового сектора работы MAP, и N выходных каналов, к которым подключены N линий передачи, длины которых возрастают от центральных выходов ДОУ к крайним, а также N однотипных усилителей мощности, выходами подключенных к N излучателям, согласно изобретению, в качестве линий передачи использованы радиочастотные кабели, подключенные к входам однотипных усилителей мощности, настроенных на режим максимальной выходной мощности для возбуждения с равной амплитудой излучателей, которые расположены с переменным шагом между собой с возрастанием интервала к периферии раскрыва решетки, при этом координата ξm относительно середины раскрыва для излучателя с индексом m определяется формулойThe specified technical result is achieved by the fact that in a frequency-independent active multi-beam antenna array (MAP), including a beamforming device (PTA) having P input channels, the number of which is equal to the number of beams formed within the angular sector of the MAP operation, and N output channels, to to which N transmission lines are connected, the lengths of which increase from the central outputs of the preschool to the extreme, as well as N of the same type of power amplifiers, with outputs connected to N emitters, according to the invention, radio frequency cables are used as transmission lines connected to the inputs of the same type of power amplifiers set to the mode maximum output power for excitation with equal amplitude of the emitters, which are located with a variable step between each other with an increase in the interval to the periphery of the array aperture, while the coordinate ξ m relative to the middle of the aperture for the emitter with index m is determined by the formula
где ξm - координата излучателя с индексом m (m=-n..n; n=N/2) относительно центра раскрыва,where ξ m is the coordinate of the emitter with index m (m = -n..n; n = N / 2) relative to the center of the aperture,
L - длина раскрыва MAP, а электрические длины радиочастотных кабелей, соединяющих выходы ДОУ с входами усилителей, выбраны в соответствии с формулойL is the length of the aperture of the MAP, and the electrical lengths of the radio frequency cables connecting the outputs of the pre-amplifier with the inputs of the amplifiers are selected in accordance with the formula
Δlm=0,278λН(ξm/ξn)2,2,Δl m = 0.278λ N (ξ m / ξ n ) 2.2 ,
где Δlm - приращение электрической длины радиочастотного кабеля усилителя с индексом т, возбуждающего излучатель с координатой ξm;where Δlm is the increment in the electrical length of the radio-frequency cable of the amplifier with the index t, which excites the emitter with the coordinate ξ m ;
ξn - координата крайнего излучателя MAP;ξ n is the coordinate of the outermost emitter of the MAP;
λн - длина волны в свободном пространстве на нижней границе рабочего диапазона частот.λ n - wavelength in free space at the lower limit of the operating frequency range.
Расположение излучателей с переменным шагом между собой в виде неэквидистантной линейной решетки с возрастанием интервала от центра к ее периферии позволяет сформировать спадающее эквивалентное распределение амплитуд в раскрыве по косинусоидальному закону при равномерном распределении амплитуд по излучателям.The arrangement of emitters with a variable pitch between each other in the form of a non-equidistant linear grating with an increase in the interval from the center to its periphery makes it possible to form a falling equivalent distribution of amplitudes in the aperture according to the cosine law with a uniform distribution of amplitudes over the emitters.
Использование радиочастотных кабелей соответствующей различной электрической длины формирует распределение задержки сигналов с выходов ДОУ к усилителям и далее обеспечивает соответствующую задержку излучаемых сигналов, возрастающую от центра решетки к ее периферии, что позволяет в раскрыве MAP формировать дополнительное частотно-зависимое распределение фаз по закону степенной функции с показателем 2,2 и расфазировкой крайних излучателей относительно центра раскрыва, составляющей 100° на нижней границе полосы рабочих частот.The use of radio frequency cables of appropriate different electrical lengths forms the distribution of the delay of signals from the outputs of the pre-amplifier to the amplifiers and then ensures the corresponding delay of the emitted signals, which increases from the center of the array to its periphery, which makes it possible to form an additional frequency-dependent phase distribution in the MAP aperture according to the law of a power function with the exponent 2.2 and the skew of the extreme radiators relative to the center of the aperture, which is 100 ° at the lower boundary of the operating frequency band.
Введение дополнительного частотно-зависимого распределения фаз излучателей по закону степенной функции с показателем 2,2 вместо квадратичной зависимости у прототипа в совокупности со спадающим эквивалентным амплитудным распределением по косинусоидальному закону вместо квадратичного закона компенсирует изменение ширины ДН в более широкой полосе частот по сравнению с прототипом таким образом, что в пределах полосы частот с относительным перекрытием 3:1 ширина парциальных ДН сохраняется практически постоянной, изменяясь в пределах ±15% от среднего значения, а в полосе частот с перекрытием 4:1 - в пределах ±20%.The introduction of an additional frequency-dependent distribution of the phases of the emitters according to the law of a power function with an exponent of 2.2 instead of the quadratic dependence of the prototype in conjunction with the falling equivalent amplitude distribution according to the cosine law instead of the quadratic law compensates for the change in the width of the pattern in a wider frequency band compared to the prototype in this way that within the frequency band with a relative overlap of 3: 1, the width of the partial patterns remains practically constant, varying within ± 15% of the average value, and in the frequency band with an overlap of 4: 1, within ± 20%.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволяет утверждать, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявляемого устройства многолучевой антенной решетки, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».The analysis of the prior art carried out by the applicant suggests that there are no analogs characterized by sets of features that are identical to all features of the claimed device of a multi-beam antenna array. Therefore, the claimed invention meets the "novelty" condition of patentability.
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Таким образом, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».The results of the search for known solutions in this and related fields of technology in order to identify features that match the distinctive features of the prototype, have shown that they do not follow explicitly from the prior art. Also, the influence of the transformations envisaged by the essential features of the claimed invention on the achievement of the specified technical result was not revealed. Thus, the claimed invention meets the “inventive step” requirement of patentability.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и графическими материалами.The essence of the invention is illustrated by the following description and graphic materials.
На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемой MAP.FIG. 1 shows a block diagram of the proposed MAP.
На фиг. 2 приведена графическая косинусоидальная зависимость распределения амплитуд излучателей в раскрыве эквидистантной MAP (а) и соответствующее ему расчетное расположение излучателей неэквидистантной равноамплитудной MAP с эквивалентным косинусоидальным распределением амплитуд (б).FIG. 2 shows a graphical cosine dependence of the distribution of the amplitudes of the emitters in the aperture of the equidistant MAP (a) and the corresponding calculated arrangement of the emitters of the nonequidistant equidistant MAP with an equivalent cosine distribution of the amplitudes (b).
На фиг. 3 приведено сравнение нормированных фазовых распределений: в соответствии со степенной функции с показателем 2,2 (кривая 1) и квадратичного распределения согласно прототипу (кривая 2).FIG. 3 shows a comparison of the normalized phase distributions: in accordance with the power function with an exponent of 2.2 (curve 1) and the quadratic distribution according to the prototype (curve 2).
На фиг. 4 приведены экспериментальные зависимости изменения ширины ДН в четырехкратной полосе частот для луча, формируемого по нормали к раскрыву неэквидистантной MAP из 32-х элементов для случая равноамплитудного возбуждения излучателей с распределением фаз по закону степенной функции с показателем 2,2 (кривая 1) и для случая синфазного возбуждения излучателей решетки (кривая 2).FIG. 4 shows the experimental dependences of the change in the AP width in a fourfold frequency band for a beam formed along the normal to the aperture of a nonequidistant MAP of 32 elements for the case of equal-amplitude excitation of emitters with a power-law phase distribution with an exponent of 2.2 (curve 1) and for the case in-phase excitation of the array emitters (curve 2).
На фиг. 5 приведены расчетные ДН MAP на пяти частотах с равномерным шагом в полосе с перекрытием 4:1 для четырех лучей в секторе ±45° относительно нормали к раскрыву.FIG. 5 shows the calculated MAP patterns at five frequencies with a uniform step in a band with an overlap of 4: 1 for four beams in a sector of ± 45 ° relative to the normal to the aperture.
Активная многолучевая антенная решетка содержитThe active multibeam antenna array contains
N широкополосных излучателей 1 (фиг. 1), расположенных с переменным шагом между собой с возрастанием интервала к периферии раскрыва, образуя неэквидистантную линейную решетку для формирования спадающего эквивалентного распределения амплитуд по косинусоидальному закону. Известно [5], что основные параметры ДН неэквидистантной равноамплитудной решетки (ширина ДН, форма главного лепестка и уровень ближних боковых лепестков) при надлежащем выборе координат излучателей практически совпадают с параметрами эквидистантной решетки, имеющей такой же размер раскрыва и то же число излучателей, но возбуждаемых неравномерно со спаданием амплитуды на краях раскрыва. В общем случае координаты излучателей ξm неэквидистантной решетки определяются следующей известной формулой [5]:N broadband emitters 1 (Fig. 1), located with a variable step between each other with increasing interval to the periphery of the aperture, forming a nonequidistant linear array to form a falling equivalent distribution of amplitudes according to the cosine law. It is known [5] that the main parameters of the pattern of a nonequidistant equal-amplitude grating (the width of the pattern, the shape of the main lobe and the level of the near side lobes), with an appropriate choice of the coordinates of the emitters, practically coincide with the parameters of an equidistant array having the same aperture size and the same number of emitters, but excited unevenly with a decrease in amplitude at the edges of the aperture. In the general case, the coordinates of the emitters ξ m of the nonequidistant array are determined by the following well-known formula [5]:
где ξm - координата излучателя с индексом m (m=-n..n; n=N/2) относительно центра раскрыва;where ξ m is the coordinate of the emitter with the index m (m = -n..n; n = N / 2) relative to the center of the aperture;
F(x)=∫f(x)dx - первообразная от функции f(x), описывающей закон изменения амплитуды вдоль раскрыва исходной эквидистантной решетки;F (x) = ∫f (x) dx is the antiderivative of the function f (x), which describes the law of amplitude variation along the opening of the original equidistant lattice;
[xm,xm+1] - координаты отрезков раскрыва, соответствующих излучателям с одинаковыми амплитудами токов I0=I/N, 
N - число излучателей в неэквидистантной решетке;N is the number of emitters in a non-equidistant array;
L - длина раскрыва MAP.L is the length of the MAP aperture.
При этом для косинусоидального закона распределения амплитуд исходной решеткиIn this case, for the cosine law of the distribution of the amplitudes of the original grating
выражение (1) для координат излучателей ξm неэквидистантной решетки с равномерным амплитудным возбуждением преобразуется к виду:expression (1) for the coordinates of the emitters ξ m of a nonequidistant array with uniform amplitude excitation is transformed to the form:
Излучатели MAP 1 соединены посредством N фазированных кабелей 2 выходного тракта с выходными разъемами N идентичных усилителей 3. Входные разъемы усилителей 3 соединены с N выходными разъемами ДОУ 5 с помощью N радиочастотных кабелей 4 различной электрической длины для обеспечения задержки сигнала, подводимого к излучателю 1 с индексом т, возрастающей от центра раскрыва к его периферии в соответствии с формулойThe
где Δlm - приращение электрической длины радиочастотного кабеля усилителя с индексом т, возбуждающего излучатель с координатой ξm;where Δlm is the increment in the electrical length of the radio-frequency cable of the amplifier with the index t, which excites the emitter with the coordinate ξ m ;
ξm - координата излучателя с индексом т (m=-n..n) относительно центра раскрыва;ξ m - coordinate of the emitter with index m (m = -n..n) relative to the center of the aperture;
ξn - координата крайнего излучателя MAP;ξ n is the coordinate of the outermost emitter of the MAP;
λн - длина волны в свободном пространстве на нижней границе рабочего диапазона частот;λ n - wavelength in free space at the lower limit of the operating frequency range;
0,278- коэффициент, соответствующий расфазировке величиной 100° крайних излучателей относительно центра раскрыва, выраженной в долях периода (0,278=1007360°).0.278 is the coefficient corresponding to the skew of 100 ° of the extreme emitters relative to the center of the aperture, expressed in fractions of the period (0.278 = 1007360 °).
Закон распределения фаз по излучателям в виде степенной функции с показателем 2,2 и с расфазировкой крайних излучателей 1 относительно центра раскрыва, составляющей 100° на нижней границе полосы рабочих частот в совокупности с косинусоидальным эквивалентным распределением амплитуд выбран на основе электродинамического моделирования неэквидистантной решетки по критерию минимального отклонения ширины ДН в полосе рабочих частот с относительным перекрытием 4:1.The law of phase distribution over emitters in the form of a power function with an exponent of 2.2 and with a skew of the
ДОУ 5 имеет N выходных разъемов по числу излучателей и Р входных разъемов по числу пространственных лучей в секторе работы MAP и может быть выполнено на основе микрополосковых аналогов линзы Ротмана.
Активная многолучевая антенная решетка работает в режиме передачи следующим образом (см. фиг. 1): на один из Р входных каналов ДОУ 5 подается сигнал возбуждения на одной из частот в пределах рабочего диапазона с амплитудой, достаточной для возбуждения усилителей 3 с учетом коэффициента передачи ДОУ и радиочастотных кабелей 4. На каждом из N выходных разъемов ДОУ 5 формируются сигналы с равными амплитудами и различными фазами, образующими линейный фазовый фронт с наклоном, зависящим от направления выбранного пространственного луча Р. На выходных разъемах усилителей 3 формируются мощные сигналы равной амплитуды с различными фазами. Суммарное фазовое распределение на выходах усилителей 3 формируется двумя составляющими: линейного распределения, зависящего от направления выбранного пространственного луча Р, и дополнительного нелинейного распределения, определяемого разностью хода сигналов в радиочастотных кабелях 4 различной электрической длины в соответствии со степенной функцией с показателем 2,2. Далее сигналы равной амплитуды посредством фазированных кабелей 2 выходного тракта поступают на входы излучателей 1 линейной MAP, расположенных с переменным шагом между собой с возрастанием интервала к периферии раскрыва таким образом, что в раскрыве MAP формируется спадающее эквивалентное амплитудное распределение по закону косинуса, как показано на фиг. 2. Спадающее эквивалентное амплитудное распределение в совокупности с дополнительным частотно-зависимым распределением фаз излучателей 1 (см. фиг. 3) приводит к стабилизации ширины ДН парциальных лучей MAP в широкой полосе частот, как показано на фиг. 4 кривая 1. Эффект стабилизации обеспечивается компенсацией убывания ширины ДН за счет возрастающей расфазировки излучателей 1 с повышением частоты.The active multibeam antenna array operates in the transmission mode as follows (see Fig. 1): an excitation signal is supplied to one of the P input channels of the
Для передающих широкополосных активных MAP равноамплитудное возбуждение излучателей позволяет сохранить высокий энергетический потенциал в полосе рабочих частот и повысить эффективность передающих систем радиоэлектронных средств за счет работы усилителей в режиме максимальной выходной мощности. Введение дополнительного частотно-зависимого распределения фаз излучателей по закону степенной функции с показателем 2,2 вместо квадратичной зависимости у прототипа в совокупности со спадающим эквивалентным амплитудным распределением по косинусоидальному закону вместо квадратичного закона компенсирует изменение ширины ДН в более широкой полосе частот по сравнению с прототипом таким образом, что в пределах полосы частот с относительным перекрытием 3:1 ширина парциальных ДН сохраняется практически постоянной, изменяясь в пределах ±15% от среднего значения, а в полосе частот с перекрытием 4:1 - в пределах ±20%.For transmitting broadband active MAPs, the equal-amplitude excitation of the emitters allows maintaining a high energy potential in the operating frequency band and increasing the efficiency of the transmitting systems of radio electronic equipment due to the operation of amplifiers in the maximum output power mode. The introduction of an additional frequency-dependent distribution of the phases of the emitters according to the law of a power function with an exponent of 2.2 instead of the quadratic dependence of the prototype in conjunction with the falling equivalent amplitude distribution according to the cosine law instead of the quadratic law compensates for the change in the width of the pattern in a wider frequency band compared to the prototype in this way that within the frequency band with a relative overlap of 3: 1, the width of the partial patterns remains practically constant, varying within ± 15% of the average value, and in the frequency band with an overlap of 4: 1, within ± 20%.
Дополнительному влиянию на возможность поддержания практически постоянных характеристик излучения MAP в более широкой полосе частот способствует снижение неидентичности амплитудных и фазовых передаточных характеристик усилителей за счет выбора режима их работы с максимальной выходной мощностью.An additional influence on the ability to maintain practically constant characteristics of the MAP radiation in a wider frequency band is facilitated by a decrease in the non-identity of the amplitude and phase transfer characteristics of the amplifiers due to the choice of their mode of operation with the maximum output power.
Частотно-независимая многолучевая антенная решетка согласно заявляемого изобретения может быть построена также для работы в режиме приема. Для этого в качестве усилителей должны быть применены широкополосные малошумящие усилители, а вместо источников сигналов к разъемам ДОУ подключаются Р приемных широкополосных устройств для одновременного приема сигналов в широком секторе пространства. Принципы формирования частотно-независимых парциальных ДН в режиме передачи и в режиме приема аналогичны. Формируемые при этом парциальные ДН имеют колоколообразную форму главного лепестка (см. фиг. 5) с постоянной крутизной скатов, что обеспечивает стабильность пеленгационных характеристик и повышение точности пеленгования в широкой полосе частот в случае применения MAP с частотно-независимыми ДН в составе широкополосных пеленгационных антенных систем.The frequency-independent multi-beam antenna array according to the claimed invention can also be constructed for operation in the receiving mode. To do this, broadband low-noise amplifiers should be used as amplifiers, and instead of signal sources, P wideband receiving devices are connected to the PTA connectors for simultaneous reception of signals in a wide sector of space. The principles of the formation of frequency-independent partial patterns in the transmission mode and in the reception mode are similar. The partial BPs formed in this case have a bell-shaped main lobe (see Fig. 5) with a constant slope steepness, which ensures the stability of direction finding characteristics and an increase in the accuracy of direction finding in a wide frequency band in the case of using MAPs with frequency-independent BPs as part of broadband DF antenna systems ...
Таким образом, преимуществом предлагаемого технического решения является то, что в нем реализуется формирование широкоугольного веера (пучка) лучей с постоянной независимой от частоты шириной парциальных диаграмм направленности при равномерном распределении амплитуд по излучателям решетки.Thus, the advantage of the proposed technical solution is that it implements the formation of a wide-angle fan (beam) of rays with a constant frequency-independent width of partial radiation patterns with a uniform distribution of amplitudes over the array emitters.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Бобков Н.И., Габриэльян Д.Д., Ивакина С.С., Пархоменко Н.Г. Построение апертурных антенн с частотно-независимыми характеристиками излучения // «Радиотехника», №1, 2016 г., с. 42-49.1. Bobkov N.I., Gabrielian D.D., Ivakina S.S., Parkhomenko N.G. Construction of aperture antennas with frequency-independent radiation characteristics // "Radiotekhnika", No. 1, 2016, p. 42-49.
2. Патент US №3911442 МПК H01Q 19/062. US patent No. 3911442 IPC H01Q 19/06
3. Патент US №3964069 МПК H01Q 19/063. US patent No. 3964069 IPC H01Q 19/06
4. Патент US №8466848 МПК H01Q 21/004. US patent No. 8466848 IPC H01Q 21/00
5. О.Г. Вендик, М.Д. Парнес. Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию). - 2001. (с. 116-118).5.O.G. Wendick, M.D. Parnes. Electrical Scanning Antennas (Introduction to Theory). - 2001. (p. 116-118).
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020124772A RU2744567C1 (en) | 2020-07-16 | 2020-07-16 | Frequency-independent active multi-beam antenna array |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020124772A RU2744567C1 (en) | 2020-07-16 | 2020-07-16 | Frequency-independent active multi-beam antenna array |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2744567C1 true RU2744567C1 (en) | 2021-03-11 |
Family
ID=74874316
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020124772A RU2744567C1 (en) | 2020-07-16 | 2020-07-16 | Frequency-independent active multi-beam antenna array |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2744567C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3911442A (en) * | 1974-02-15 | 1975-10-07 | Raytheon Co | Constant beamwidth antenna |
| US3964069A (en) * | 1975-05-01 | 1976-06-15 | Raytheon Company | Constant beamwidth antenna |
| RU2338307C1 (en) * | 2007-11-06 | 2008-11-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Active phased antenna array |
| US8466848B2 (en) * | 2005-11-23 | 2013-06-18 | Bae Systems Plc | Beam shaping for wide band array antennae |
-
2020
- 2020-07-16 RU RU2020124772A patent/RU2744567C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3911442A (en) * | 1974-02-15 | 1975-10-07 | Raytheon Co | Constant beamwidth antenna |
| US3964069A (en) * | 1975-05-01 | 1976-06-15 | Raytheon Company | Constant beamwidth antenna |
| US8466848B2 (en) * | 2005-11-23 | 2013-06-18 | Bae Systems Plc | Beam shaping for wide band array antennae |
| RU2338307C1 (en) * | 2007-11-06 | 2008-11-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Active phased antenna array |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2134924C1 (en) | Phased-array transmitting antenna assembly (design versions) and antenna array manufacturing process | |
| CN108987911B (en) | Millimeter wave beam forming microstrip array antenna based on SIW and design method | |
| KR100613903B1 (en) | Array Spacing Decision Method at Array Antenna using Genetic Algorithm and Array Antenna with Sofa Structure and Irregular Array Spacing | |
| Wang et al. | Waveguide slotted antenna array with broadband, dual-polarization and low cross-polarization for X-band SAR applications | |
| US11398683B2 (en) | Perimeter-fed array | |
| US6894654B2 (en) | Waveguide for a traveling wave antenna | |
| RU2744567C1 (en) | Frequency-independent active multi-beam antenna array | |
| Sandi et al. | A hybrid technique using combinatorial cyclic difference sets and binomial amplitude tapering for linear sparse array antenna design | |
| CN110854547B (en) | Array feed type large-range beam scanning reflector antenna | |
| US6781554B2 (en) | Compact wide scan periodically loaded edge slot waveguide array | |
| KR102127201B1 (en) | Nonlinear metasurface for compensating scan loss at designed angle | |
| US10622714B2 (en) | Linear slot array antenna for broadly scanning frequency | |
| CN115911888A (en) | Millimeter wave terahertz radiation source array antenna | |
| CA3063463A1 (en) | Multiple-port radiating element | |
| US10741917B2 (en) | Power division in antenna systems for millimeter wave applications | |
| JP7180787B2 (en) | integrated circuit antenna | |
| CN109301456B (en) | Broadband high-gain patch antenna with low profile | |
| Yuan et al. | Calibrated design of beam-steerable antennas fed by varactor-based phase shifters | |
| Liu et al. | A Single-Layer Center-Feed Slotted Antenna Array with Reflection Canceling Stairs in 38-GHz Waveband | |
| Kamal et al. | Array of Coaxial Periodic Leaky Wave Antennas in Parallel Configuration for Restricted Volume Applications | |
| Wada et al. | Design of a Dual-polarized Slot Array Antenna with Monopulse Corporate-feed Waveguides for Two-dimensional Orthogonal 8-multiplexing in the Non-far Region | |
| RU2776726C1 (en) | Bobkov broadband dephased horn antenna | |
| RU2382451C1 (en) | Travelling wave linear slotted waveguide array | |
| JP3557850B2 (en) | Array antenna | |
| Xu et al. | Wide-angle Beam-steering with Electronically-scanned Leaky Wave Antenna |