UA34434C2 - Передавальна антенна система з фазованою решіткою - Google Patents

Abstract

Цей винахід відноситься до антенних систем для променів НВЧ і, зокрема, до фазованих антенних решіток, що генерують декілька антенних променів одночасно шляхом керування відносної фази сигналів множини випромінюючих елементів. .

Description

Настоящее изобретение относится к антенньім системам для лучей СВУ и в частности к фазирован- ньїм антенньім решеткам, генерирующим несколько антенньїх лучей одновременно путем управления отно- сительной фазой сигналов множества излучающих злементов.

Антеннье решетки уже много лет используются в радарньїх системах для формирования узких нап- равленньх лучей. Характеристики антенной решетки определяются геометрическим расположением излу- чающих злементов, а также амплитудой и фазой их индивидуальньх сигналов возбуждения.

Более поздние разработки в области радаров, такие как магнетрон и другие мощнье СВЧУЧ устройст- ва, расширили традиционньй рабочий диапазон радаров в сторону вьісоких частот. На зтих более вьісоких частотах нашли практическое применение более простье антенньї, состоящие из рефлекторов определен- ной формь! (параболических и рупорньх) или других простьїх облучателей.

Затем по многим причинам, включая требования к скорости сканирования и способности произволь- ного или запрограммированного наведения луча, особое значение приобрело злектронное (безьінерцион- ное) сканирование. С разработкой фазовращателей и коммутаторов с злектронньім управлением внимание специалистов переключилось на антеннье решетки, в которьїх каждьйй излучающий злемент индивидуаль- но управляется злектронньім способом. Управляемье фазовращатели обеспечивают возможность бьістро- го и точного переключения лучей в технике антенньїх фазированньїх решеток, и таким образом позволяют радару вьиіполнять множество функций, чередующихся во времени, или даже одновременно. Радар с фази- рованной антенной решеткой с злектронньім управлением способен сопровождать множество целей, облу- чать несколько целей для наведения на них ракет, виіполнять поиск в широком угловом секторе с автома- тической селекцией целей для обеспечения сопровождения вьібранной цели и может работать как система связи с удаленньми приемниками и/или передатчиками при помощи лучей, обеспечивающих вьсокий козффициент усиления антенной системьї. Таким образом, антенная решетка с фазовьм сканированием имеет очень большое значение. Общие сведения по современньм антенньм решеткам содержатся в "Вадаг Напаброок" ру Меїтії Т. 5коїпік. Мссхгам НІЇЇ (1970).

Известнье антеннье решетки описань! также в приведенньх ниже патентах.

В патенте США Мо 2967301 от З января 1961 г. описан способ формирования последовательньх лу- чей для определения скорости самолета относительно земли.

В патенте США Мо 3423756 от 21 января 1969 г. описана система, в которой управляемая злектрон- ньім путем антенна с коническим сканированием возбуждаєется при помощи сверхразмерного волновода и расположенньх рядом и связанньх с ним четьірех настроенньїх резонаторов. Сигнал, на частоту которого настроень зти обьемньсе резонаторьі, расщепляется на модь! более вьісоких порядков, что приводит к сд- вигу фазового центра излучения от центра апертурь! антенньі. Коническое сканированиеє достигаєтся путем последовательной настройки четьірех резонаторов на частоту зтого сигнала. Сигналь! с частотами, сущест- венно отличающимися от частоть, на которую настроень зти резонаторьі, распространяются по волноводу без искажений.

В патенте США Мо 3969729 от 13 июля 1976 г. описан интегральньй злемент/фазовращатель, пред- назначенньйй для использования в решетках с фазовьмм сканированием. Возбуждение злементов решетки осуществляется при помощи ряда полосковьїх линий передачи или нерезонансньх волноводов. Четьіре РЧ диода, подключеннье и расположеннье определенньім образом в щелях симметричной щелевой структу- рьї в наружной проводящей стенке линии передачи, служат для изменения связи через щели между зтой линией передачи и апертурой каждого отдельного злемента антеннь. Таким образом, каждьй диод регули- рует вклад каждой щели в знергию апертурь! отдельного злемента при соответствующей фазе и тем са- мьім определяет общую фазу указанной апертурь!.

В патенте США Мо 4041501 от 9 августа 1977 г. описань! системьї антенньїх решеток, в которьхх рабо- чая структура злементов дополнена цепями связи, для того чтобь! приблизить ее как можно ближе к идеальной структуре злементов, необходимой для излучения в пределах вьібранного углового сектора пространства. Применение цепей связи в конструкции антенньї со сканированием луча существенно сокра- щает число требуемьїх фазовращателей.

В патенте США Мо 4099181 от 4 июля 1978 г. описана плоская антенна для радара, содержащая множество установленньїхх друг за другом излучающих злементов, расположенньїх параллельньіми рядами, в которой можно регулировать величину знергии между указанньіми излучающими злементами и аппаратной частью радара. Излучающие злементь! представ- ляют собой волноводьї С копланарньми излучающими торцами, сгруппированнье в четьірех квадрантах, каждьй из указанньх квадрантов соединяется с аппаратной частью радара через фидер, приспособленньй к работе в двух режимах: в первом режи- ме он питаєт все волноводь! в квадранте, а во втором - только ближайшие к центру антенньі рядь! волноводов, исключая ос- тальнье волноводь! квадранта. Также имеется устройство, обеспечивающее одновременно всем четьірем фидерам одинаковье условия работь, чтобь антенна радара излучала луч, симметричньй относительно центра антенньії и имеющий другую конфигу- рацию в зависимости от режима фидеров.

В патенте США Мо 4595926 от 17 июля 1986 г. описана система формирования луча линейной фази- рованной антенной решетки, которая может использоваться в моноимпульсньїх приемо-передающих стан- циях, содержащая пару последовательно соединенньїх расфокусированньмх линз с параллельньми пласти- нами, обеспечивающих подходящий спад амплитудного распределения излучения линейной антенной ре- шетки для подавления боковьїх лепестков ее диаграммь! направленности. Для управления лучом исполь- зуются цифровье фазовращатели, а расфокусированнье линзьї служат для декорреляции ошибок дискре- тизации, вьізванньїх применением таких фазовращателей.

В патенте США Ме 3546699 от 8 декабря 1970 г. описана сканирующая антенная система, содержа- щая стационарную решетку из отдельньїх синфазньїх источников злектромагнитной знергии, расположен- ньІїх вдоль дуги окружности, установленньйй вблизи решетки преобразователь, обладающий свойством син- фазного излучения злектромагнитной знергии, с дугообразньім входньім контуром, соответствующим дуге решетки, и линейнь!м вьіходньіїм контуром и устройство для вращения преобразователя в плоскости окруж- ности вокруг ее центра.

В соответствий с изобретением предложена антенная система с фазированной решеткой, в частнос- ти, активная передающая фазированная антенная решетка, генерирующая одновременно несколько неза- висимьїх лучей для облучения заданньїх областей пространства без облучения других областей. Размер и форма зтих областей определяются размером и количеством злементов решетки, а количество лучей -- ко- личеством схем формирования луча, питающих решетку. Все злементьї решетки работают при одном и том же уровне амплитудь, а направление и форма лучей определяются установками фазь!.

Сущность изобретения поясняєтся чертежами, на которьх:

Фиг. 1 изображаєт множество упорядоченньїх злементов активной передающей фазированной антен- ной решетки,

Фиг. 2 схематически изображает поперечное сечение отдельного злемента из множества злементов фазированной антенной решетки, изображенной на фиг. 1,

Фиг. З схематически изображаєт вид сверху на воздушньій дизлектрический резонатор, изображен- ньій на фиг. 2,

Фиг. 4 схематически изображаєт вид снизу на контроллер, используемьй в системе согласно фиг. 2,

Фиг. 5 схематически, но более детально изображаєт фазовращатели и аттенюаторь, показаннье на фиг. 4, вместе с относящимися к ним схемами.

Согласно фиг. 1 изображен вариант активной передающей фазированной антенной решетки, содер- жащей, например, 213 злементов, расположенньїх в виде шестиугольника. На фиг. 2 показан один из 213 злементов антенньі, изображенной на фиг. 1. Каждьй злемент, изображенньійй на фиг. 1, идентичен зле- менту, изображенному на фиг. 2, и включаєт рупор 10, способньй излучать сигналь! каждой из двух ортого- нальньїх поляризаций с развязкой в 25 дБ и больше. Рупор возбуждается многополюснь!м полосовьм фильтром 12, предназначенньїм для пропускания знергии сигналов с частотой в заданной полосе и не про- пускать знергию сигналов других частот. Зто особенно важно тогда, когда передающая антенна, вьіполнен- ная согласно изобретению, используется в спутнике связи, содержащем также приемную антенну (прием- нье антенньї), так как в противном случає паразитнье сигналь! передатчика в полосе приема перегружают чувствительнье злементь! приемньїх антенн и создают помехи. В настоящем варианте осуществления изобретения фильтр 12 содержит ряд последовательно соединенньїх обьемньїх резонаторов, связанньх друг с другом таким образом, чтобьї обеспечить вьісокую степень ортогональности, необходимую для обес- печения указанной вьіше развязки.

Фильтр 12 связан с воздушньім дизлектрическим резонатором 14, установленньім на подложке 36.

Воздушньй дизлектрический резонатор 14 содержит интегральньсе усилители с вьісоким к.п.д., возбуждаю- щие ортогональнье СВУ сигналь! при включений по двухтактной схеме. Согласно фиг. 3, на которой дан схематичньій вид сверху на воздушньій дизлектрический резонатор 14, изображенньій на фиг. 2, зто воз- буждение осуществляется при помощи штьрей 18, 20, 30 и 32 в сочетании с усилителями 22, 24, 26 и 28.

На фиг. 3 штьгри 18 и 20 расположень так, что они возбуждают резонатор 14 при расположениий друг отно- сительно друга под углом 1802. Такое расположение обеспечиваєт преобразование, необходимое для ра- боть! двухтактной схемьї, когда усилители 22 и 24 запускаются со сдвигом по фазе. Аналогично усилители 26 и 28 возбуждают штьгри 30 и 32, расположеннье под углом 1802 друг относительно друга и под углом 909 относительно штьрей 18 и 20, и таким образом могут возбуждать ортогональнье СВЧ сигналь! в резо- наторе. Две парьі усилителей возбуждаются со сдвигом фазь 902 от гибридного входа 34 через 180-градус- нье злементь 34а и 3456 связи, чтобь! получить сигналь с круговой поляризацией.

Усилители 22, 24, 26 и 28 должнь! бьіть практически идентичньїми, чтобьї обеспечить фазовую и амп- литудную однородность, необходимую для ортогональньїх лучей. Единственньій практический путь дости- жения зтой цели - зто применение в качестве усилителей монолитньх интегральньх схем СВУ.

На фиг. З показано, что 90-градусньій гибридньїйй вход 34 имеет два вьівода. Зти вьіводь! представ- ляют собой соединительнье злементьі, проходящие сквозь подложку 36, изображенную, вид снизу, на фиг. 4, при зтом нижниє контакть! зтих соединительньїх злементов обозначеньі! цифрами 38 и 39. Один из зтих вьіводов возбуждаеєт сигналь! с правой круговой поляризацией, а другой - с левой круговой поляризацией.

Кроме того, если бьї сигналь! возбуждения, проходящие через сквознье соединительнье злементь, пода- вались прямо на 180-градуснье злементь! 34А и 34В связи, не используя 90-градусньій гибридньй вход 34, то возбуждались бьї линейно поляризованньсе лучи, а не лучи с круговой поляризацией. Сигналь! на гиб- ридньй вход 34 поступают через контакть! 38 и 39 от предоконечньїх усилителей на 40 и 42, которьсе вь- полненьї на монолитньїхх интегральньїх схемах СВУ и каждьй из которьїх предназначен для сигналов опре- деленной поляризации. Требуемая поляризация для каждого луча вьібирается с помощью коммутационной матриць 44, которая также обьєединяеєет все сигналь! для каждой поляризации, которне затем подаются на входьі! предоконечньїх усилителей 40 и 42. На входе канала каждого луча (в данном примере их четьре) имеются фазовращатель 48 и аттенюатор 46 с злектронньім управлением, которне определяют направле- ние и форму луча (размерь! каждого луча). Для каждого конкретного луча все злементь! решетки возбуж- даются сигналами одного и того же уровня. В зтом заключаєется отличие от других передающих фазиро- ванньїх антенньїх решеток, в которьїх для подавления боковьїх лепестков применяются сигналь! с попереч- ньім относительно решетки градиентом амплитудь!.

Для того, чтобьї максимизировать к.п.д. антенньії по мощности, в активной передающей фазирован- ной антенной решетке, описьвваемой в данной заявке, используется однородное возбуждение (без гра- диента). В противном случає не полностью используется мощность каждого злемента антенньі. Суммарная максимально возможная мощность может бьіть произвольно и без потерь распределена между лучами.

После распределения мощности для данного луча по всем злементам антенньі путем регулировки атте- нюаторов 46 производят установку фазь! (которая, вероятнеєе всего, разная для каждого злемента) с по- мощью фазовращателей 48 для придания лучам требуемьїх направлений и формьї. Установки фазь! для луча данной формь и направления вьібираются в процессе его синтеза. Процесс синтеза представляет со- бой итерационную вьічислительную процедуру, которая может храниться в памяти компьютера. Задачей процесса синтеза является формирование луча, которьій обеспечивает зффективное излучение в задан- ной области пространства без излучения в других областях. Зта область пространства имеет форму пра- вильного многоугольника, минимальньйй размер сторонь! которого определяется вьібранньм числом зле- ментов решетки и расстоянием между ними. Обьічно чем больше злементов в решетке, тем сложнее фор- ма многоугольника, которьйй может бьіть синтезирован. В процессе формирования луча только при помощи фазь! создаєтся не только заданная форма луча, но и побочнье лепестки. Другой задачей данного изобре- тения при использований его в качестве спутниковой антенньї является минимизация относительной вели- чинь! побочньїх лепестков и предотвращение их появления на поверхности земли, если смотреть со сторо- нь орбить! спутника, чтобьї они не создавали помех соседнему лучу и не приводили к потере знергиий на из- лучение в ненужном направлений. В процессе синтеза минимизируется уровень побочньїх лепестков, и можно также сформировать нуль диаграммь! направленности на месте побочного лепестка, которьй не мо- жет бьіть минимизирован до приемлемого уровня другим способом.

Количество независимьїх лучей, которье могут бьіть сформированьі активной передающей фазиро- ванной антенной решеткой, ограничено лишь количеством фазовращателей 48 и аттенюаторов 46, питаю- щих каждьй злемент. Согласно фиг. 5 сигнал на каждую цепочку из фазовращателей 48 и аттенюаторов 46 поступаєт через отдельньйй равномерньй делитель мощности. Количество отводов каждого делителя мощ- ности должно бьіть больше или равно количеству злементов. В примере, изображенном на фиг. 5, коли- чество отводов должно бьіть больше или равно 213. Количество делителей мощности должно равняться количеству отдельньх лучей, генерируемьїх антенной. Таким образом, для описанной в качестве примера системь! требуется четьіре делителя мощности, каждьй из которьїх имеет 213 отводов.

Как утверждалось ранее, для получения максимального к.п.д. необходимо, чтобьї мощность каждого из лучей равнялась сумме мощностей всех злементов. Предполагается, что мощность каждого отдельного злемента является линейной или неийскаженной. Для того, чтобьі! несколько лучей, генерируемьїх активной передающей фазированной антенной решеткой, не взаймодействовали друг с другом, необходимо, чтобь все усилители в цепи работали в линейном режиме, что предотвращает нежелательньсе перекрестнье по- мехи между лучами. Пока усилители работают в линейном режиме, справедлив принцип линейной супер- позиции. Независимость лучей нарушается, как только усилители начинают работать в нелинейном режи- ме. Оконечньсе усилители 22, 24, 26 и 28 найболее критичньї, так как они потребляют более 9095 мощности.

Для того, чтобьї обеспечить приемлемье рабочие характеристики, они должнь! иметь козффициент гармо- ник порядка 0,195 при всех рабочих уровнях сигнала ниже расчетного максимума.

Управление каждьм злементом осуществляєтся при помощи контроллера 50 микропроцессора, изображенного на фиг. 5, и интерфейсной злектроники, расположенной в корпусе матричной БИС. Конт- роллер 50 может не только генерировать специальнье управляющие напряжения для управления каждьм фазовращателем и аттенюатором, но также хранить в памяти совокупность текущих и последующих ко- манд. С помощью зтого механизма управления лучи можно коммутировать либо в соответствий с требова- ниями, либо в режиме временного уплотнения для обслуживания большого числа независимьїх областей пространства. Контроллерь!ї всех злементов связаньі между собой с помощью типовой межблочной управ- ляющей шинь. Когда антенна применяется в спутнике связи, межблочная управляющая шина использует- ся также для подключения к главному контроллеру, расположенному вместе с злектронньіми схемами уп- равления спутника. Характерньій набор козффициентов для каждого луча обьічно рассчитьівается на зем- ле и передаєется на спутник по линии управления. Каждьй злемент имеет свой адрес, определяемьій "за- шитьі!м" кодом на обьеединяющей схеме, к которой присоединена аппаратная часть злемента. Для компен- сации температурного дрейфа управляющих напряжений, если зто требуется, может бьїть использован термистор. Если напряжения, используемье для управления фазой и амплитудой, нелинейньсе, то в мик- ропроцессорах могут храниться таблицьі козффициентов преобразования для их линеаризации.

Хотя изобретение бьіло подробно описано применительно к предпочтительному варианту его осу- ществления, специалистам должно бьїть понятно, что возможнь! различнье изменения без отклонения от обьема и сущности изобретения.

до пп тт пу) же З -- Є -- 5 й й вх женні зо що ц. Ь - о 2

Ше. св о ша І 2. ре 7, кош й соя б р

І фо. 080 » че--3 ст ке,

Ада

Фиг. 1 да

І-Ї -щ9Зщщі- т ш ш ее а сь. уз ИН олію ких окр от ота рр кА рати нин

Ен ПП ПХТ А ол уютньнося К СА 6 ТА.--- Я

Фиг. 2

ІВ за 2 (32У 26 5. й ? і са

Фиг. З 42 39 ра їх і

Мих л

ЧАН НеЯНаїаче во | се

А || 2 На|кнт лі ав

Фиг. 4

От 4- мощности с 213 оті 16 44 вода! ми | ) | БО

Луч 1 (в) й

А з ша

ЩІ янимся . л 2 тез

Луч З Х тез НЕСЕ " ша о

Луч 4 о їх 7 шпал

ІВО? Й 1807 гибридн, х 5О злемент Фильтр/ щ р. связи излуч,

Компаратор

Термистор

Фиг. 5

Тираж 50 екз.

Відкрите акціонерне товариство «Патент»

Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3-72 -89 (03122)2-57- 03