RU2799766C1 - Широкополосная сканирующая антенная решетка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области радиотехники. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот, увеличение сектора сканирования. Для этого предложено устройство широкополосной сканирующей антенной решетки, которое содержит корпус, соединенный с малошумящими усилителями, диаграммообразующую систему (ДОС). Антенное полотно состоит из подрешеток, каждая из антенных элементов, на обратной стороне каждой подрешетки установлена ДОС, выполненная в виде трех слоев элементов диаграммообразующих устройств (ДОУ) трех уровней. ДОУ первого уровня объединяет антенные элементы в решетке по вертикали и горизонтали в виде первого слоя элементов, предназначено для обеспечения фазового распределения для отклонения луча по азимуту и углу места, реализует наименьшие задержки. ДОУ второго уровня объединяет элементы ДОУ первого уровня, расположено в виде второго слоя на антенном полотне, предназначено для обеспечения фазового распределения луча по азимуту и углу места, реализует большие задержки. ДОУ третьего уровня объединяет элементы ДОУ второго уровня, создает фазовое распределение луча по азимуту и углу места, реализует наибольшие задержки. Каждый элемент ДОУ состоит из линий задержки, подключенных к сумматору, каждый антенный элемент выполнен в виде двухполяризационного элемента типа Вивальди. 7 ил.

Description

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к широкополосным сканирующим антенным решеткам. Изобретение может найти применение в радиотехнических системах различного назначения.

Известна антенная решетка, описанная в патенте US6075494A «Антенная решетка с механическим управлением», опубликовано 13.06.2000, содержащая широкополосную параллельную структуру каналов возбуждения, содержащую сеть делителей мощности, включающую N уровней подачи сигнала, сформированных как множество слоев, образующих параллельные пластинчатые волноводные структуры, при этом каждый из уровней подачи сигнала образован тройниками в Е-плоскости, образующими делители мощности с двумя горизонтальными плечами, между которыми делится мощность, снабженные выборочно взаимосвязанным множеством согласующих ступенчатых трансформаторов и изгибов в Е-плоскости. Недостатком этого изобретения является создание только одной поляризации электромагнитной волны - линейной.

Известно изобретение CN108963441 «Vivaldi antenna array», опубликованное 07.12.2018. В изобретении используется разновидность антенной решетки Вивальди, в которой антенный блок выполнен в виде определенной группы подрешеток, при этом основной корпус антенного блока Вивальди использует цельнометаллическую конструкцию, излучающую секцию, а нижняя половина антенны подключается к коаксиальному фитингу верхней половины секции, излучающая секция выполнена в трех типах роговидных симметрирующих устройств, которые питают антенну, как одно целое, а антенна соединена с внешним коаксиальным фитингом симметрирующего устройства. Недостатком такого технического решения является отсутствие управления линиями задержек.

Известно изобретение RU2583336 «Приемо-передающая активная фазированная решетка», опубликованное 10.05.2016, принятое за прототип. В изобретении приемо-передающая активная фазированная антенная решетка (АФАР) обладает автономным управлением и калибровкой приемопередающих каналов, содержит N излучателей, объединенных попарно в линейки излучателей, соединенных с делителем тестового канала, а также с приемо-передающими усилительными модулями (МППУ). При этом каждый МППУ с линейками излучателей образуют подрешетку с автономным управлением приемо-передающих каналов. Обеспечивается инверсия формируемых диаграмм направленности (ДН) по входам сумматора, т.е. на суммарном входе формируется разностная, а на разностном - суммарная ДН. Основным недостатком этой АФАР является узкий диапазон рабочих частот, ограниченный полосой пропускания малогабаритных излучателей.

Техническими результатами заявляемого изобретения являются расширение диапазона рабочих частот, увеличение сектора сканирования.

Для достижения технического результата устройство широкополосной сканирующей антенной решетки (ШСАР) содержит расположенный на несущей конструкции корпус с антенным полотном, соединенный с малошумящими усилителями, диаграммообразующую систему (ДОС) и блоки питания, причем антенное полотно состоит из четырех подрешеток, каждая из 8x8 антенных элементов. На обратной стороне каждой подрешетки установлена ДОС, выполненная в виде трех слоев элементов диаграммообразующих устройств (ДОУ) трех уровней. ДОУ первого уровня, объединяющее 16 антенных элементов с малошумящими усилителями, в решетке 4x4 по вертикали и горизонтали в виде первого слоя элементов, предназначено для обеспечения фазового распределения для отклонения луча по азимуту и углу места и реализует наименьшие задержки t_з1 между антенными элементами. ДОУ второго уровня, объединяющее элементы ДОУ первого уровня по вертикали и горизонтали и расположенное в виде второго слоя на антенном полотне, предназначено для обеспечения фазового распределения луча по азимуту и углу места и реализует большие задержки t_з2 между подрешетками антенных элементов. ДОУ третьего уровня, объединяющее элементы ДОУ второго уровня, создает фазовое распределение луча по азимуту и углу места и реализуюет наибольшие задержки t_з3 между подрешетками антенных элементов. Причем t_з1<t_з2<t_з3, при этом каждый элемент ДОУ состоит из линий задержки, подключенных к сумматору, каждый антенный элемент выполнен в виде двухполяризационного элемента типа Вивальди, запитка которого происходит от кабеля, смонтированного на печатной плате корпуса, с расположенными на ней блоком питания и устройством управления диаграммой направленности и контроля работоспособности малошумящих усилителей.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена структурная схема ШСАР для одной поляризации.

На фиг. 2 показана функциональная схема ШСАР для одной поляризации.

На фиг. 3 показан внешний вид одиночного антенного элемента антенной решетки, предназначенный для работы на две ортогональные поляризации - вертикальную и горизонтальную.

На фиг. 4 показан фрагмент решетки 8x8 (подрешетка) на две ортогональные поляризации - вертикальную и горизонтальную.

На фиг. 5 представлены зоны распределения фазовых задержек трех уровней диаграммообразующих устройств по антенной решетке.

На фиг. 6 представлен фрагмент структурной схемы ДОУ.

На фиг. 7 показана типовая схема линии задержки.

На фигурах введены обозначения:

1. Приемная антенна.

2. Малошумящий усилитель (МШУ).

3. Линии задержки (ЛЗ) по углу места (УМ).

4. Сумматор.

5. Линии задержки (ЛЗ) по азимуту (AЗ).

6. СВЧ разъем.

7. Переключатель.

а - длина прямой линии,

х - длина дополнительной линии, обеспечивающая заданный набег

фазы.

Антенная решетка представляет собой сложную антенну, состоящую из совокупности отдельных антенных элементов, расположенных в пространстве особым образом. Антенная решетка предназначена для формирования с помощью ДОС сложной диаграммы направленности с управляемым положением основного лепестка.

ДОС - это устройство, предназначенное для управления фазой и амплитудой принятых каждым антенным элементом сигналов с целью формирования диаграммы направленности с главным лепестком в заданном направлении и с требуемым уровнем боковых лепестков. Изменения положения главного лепестка диаграммы направленности в пространстве осуществляются путем введения различных (управляемых) задержек для различных элементов антенной решетки.

Вся антенная решетка представляет собой частотно-независимую линзу, суммирующую сигналы в ДОС. Сканирование лучом производится за счет переключения линий задержек в ДОС.

Топология ШСАР позволяет принять всю информацию, содержащуюся в структуре пространственно-временных электромагнитных полей в раскрыве решетки и трансформировать эту информацию в параметры объектов без потерь.

В ШСАР применяются излучатели с взаимно-перпендикулярным исполнением (кросс-поляризацией), а также специальный блок управления. Аналогичное техническое решение предусмотрено в приемном и передающем исполнении ШСАР для определения поляризационных параметров принимаемых сигналов.

Принципиально ШСАР представляет собой антенную решетку и диаграммообразующую схему, выходы которой соединены с излучателями, а входы, подключаемые к мониторинговому оборудованию, через коммутатор (делитель) и управляющую лучом систему для создания определенных лучей диаграммы направленности.

Антенная решетка включает в себя антенное полотно (32x32 антенных элемента), МШУ, диаграммообразующую систему (ДОС), блоки питания, ДОУ, устройство управления диаграммой направленности и контроля работоспособности МШУ, несущую конструкцию, на которую опираются антенные элементы, обтекатель.

На фиг. 1 показана возможная структурная схема ШСАР.

ШСАР состоит из:

- антенного полотна (антенное полотно - это совокупность антенных элементов, расположенных в одной плоскости), содержащего антенные элементы двойной поляризации;

-МШУ;

- ДОС, работающую на две независимые поляризации (на вертикальную и горизонтальную поляризации), состоящую из двух идентичных блоков, каждый из которых состоит из 3 уровней, содержащих несколько приемных ДОУ, включающих в себя сверхвысокочастотные (СВЧ) многослойные печатные платы (МПП) с сумматорами СВЧ и управляемыми линиями задержек (ЛЗ) сигнала.

При этом ДОС состоит из трех уровней ДОУ, каждый из которых включает в себя многослойные печатные СВЧ платы с сумматорами СВЧ и управляемыми линиями задержек сигнала.

ДОУ-1 - это диаграммообразующее устройство первого уровня. ДОУ-1 объединяет шестнадцать антенных элементов в решетке 4x4 (по вертикали и горизонтали), создает фазовое распределение для отклонения луча по азимуту и углу места, реализует наименьшие задержки между антенными элементами. Общее количество элементов на одну поляризацию - шестьдесят четыре единицы (для всей ШСАР - сто двадцать восемь единиц).

ДОУ-2 - это диаграммообразующее устройство второго уровня. ДОУ-2 объединяет четыре ДОУ-1 первого уровня 4x4 (по вертикали и горизонтали), создает фазовое распределение для отклонения луча по азимуту и углу места, реализует большие задержки между подрешетками антенных элементов 4x4. Общее количество элементов на одну поляризацию - четыре единицы (для всей ШСАР - восемь единиц).

ДОУ-3 - это диаграммообразующее устройство третьего уровня. ДОУ-3 объединяет четыре ДОУ-2 второго уровня 4x4 (по вертикали и горизонтали), создает фазовое распределение для отклонения луча по азимуту и углу места, реализует самые большие задержки между подрешетками антенных элементов 16x16. Общее количество элементов на одну поляризацию - одна единица (для всей ШСАР - две единицы).

В состав ШСАР входят блоки питания, МШУ и ДОУ, а также устройства управления диаграммой направленности и контроля работоспособности МШУ.

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 2):

Радиосигнал приходит на полотно антенной решетки 1, разделяется на две составляющие - вертикальную и горизонтальную поляризацию, которые улавливаются ортогональными излучателями Вивальди. Все антенное полотно разбито на решетки 4x4. Сигналы улавливаются излучателями этих решеток и суммируются в ДОУ-1 (фиг. 6 и 7). Сигналы от шестнадцати ДОУ-1 суммируются в ДОУ-2. Сигналы от четырех ДОУ-2 суммируются в ДОУ-3. В итоге на выходе имеется две составляющие сигнала горизонтальной и вертикальной поляризации, просуммированных от всего антенного полотна. Путем переключения линий задержек изменяется направление максимального приема или излучения сигнала в пространстве.

На фиг. 3 представлен двухполяризационный антенный элемент типа Вивальди. Запитка антенного элемента производится от кабеля, смонтированного на плату. В качестве кабеля может использоваться фазостабильный СВЧ коаксиальный кабель среднего сечения с разъемом SMA, длина кабеля определяется конструкцией модуля, содержащего МШУ.

Все антенное полотно конструктивно делится на подрешетки 8x8 (см. фиг. 4). Такое разбиение позволяет уменьшить количество стыков во всей ШСАР, которые будут требовать дополнительных мероприятий по снижению влияния на характеристики ШСАР. Подрешетка 8x8 представляет собой законченный конструктив, на обратной стороне которого установлены восемь ДОУ-1 (четыре на горизонтальную и четыре на вертикальную поляризации).

Подрешетка крепится к корпусу ШСАР. Подрешетка 16x16 состоит из четырех подрешеток 8x8, тридцати двух ДОУ-1 (шестнадцать на горизонтальную и на вертикальную поляризации) и двух ДОУ-2 (один на горизонтальную и один на вертикальную поляризации).

На фиг. 5 представлены зоны распределения фазовых задержек трех уровней ДОУ по антенной решетке.

В промежутках между ДОУ возможна установка дополнительных МШУ для компенсации потерь в трактах. МШУ выполняются как отдельные герметичные приборы, оканчивающиеся СВЧ-разъемами. Контроль работоспособности МШУ можно проводить по току потребления приборов. ДОУ между собой должны объединяться фазостабильными кабельными сборками.

ШСАР обеспечивает определение поляризационных параметров сигналов радиоэлектронных средств для создания кросс-поляризационных помех их работе.

Claims (1)

1. Устройство широкополосной сканирующей антенной решетки, содержащее расположенный на несущей конструкции корпус с антенным полотном, соединенный с малошумящими усилителями, диаграммообразующую систему (ДОС) и блоки питания, отличающееся тем, что антенное полотно состоит их из четырех подрешеток, каждая из 8×8 антенных элементов, на обратной стороне каждой подрешетки установлена ДОС, выполненная в виде трех слоев элементов диаграммообразующих устройств (ДОУ) трех уровней, ДОУ первого уровня, объединяющее 16 антенных элементов с малошумящими усилителями, в решетке 4×4 по вертикали и горизонтали в виде первого слоя элементов, и предназначенное для обеспечения фазового распределения для отклонения луча по азимуту и углу места, реализующее наименьшие задержки t_з1 между антенными элементами, ДОУ второго уровня, объединяющее элементы ДОУ первого уровня по вертикали и горизонтали и расположенное в виде второго слоя на антенном полотне, предназначенное для обеспечения фазового распределения луча по азимуту и углу места и реализующее большие задержки t_з2 между подрешетками антенных элементов, ДОУ третьего уровня, объединяющее элементы ДОУ второго уровня, создающее фазовое распределение луча по азимуту и углу места и реализующее наибольшие задержки t_з3 между подрешетками антенных элементов, причем t_з1<t_з2<t_з3, при этом каждый элемент ДОУ состоит из линий задержки, подключенных к сумматору, каждый антенный элемент выполнен в виде двухполяризационного элемента типа Вивальди, запитка которого происходит от кабеля, смонтированного на печатной плате корпуса с расположенными на ней блоком питания и устройством управления диаграммой направленности и контроля работоспособности малошумящих усилителей.