Бортовая активная фазированная антенная решетка Х-диапазона с увеличенным сектором сканирования

Предлагаемое техническое решение относится к технике СВЧ, в частности к активным фазированным антенным решеткам (АФАР). Известны электрически сканирующие ФАР с прямоугольной апертурой L_x*L_y, состоящие из N=N_x*N_y излучателей [Амитей Н., Галиндо В., By Ч. Теория и анализ фазированных антенных решеток. Пер. с англ. / Под ред. А.Ф. Чаплина. М.: Мир. 1974, стр. 13; Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Д.И. Воскресенского. М.: Радио и связь. 1994, стр. 48]. При подключении к излучателям антенной решетки (АР) приемнопередающего модуля (ППМ) такая фазированная АР (ФАР) становится активной ФАР (АФАР) [Активные фазированные антенные решетки. Изд. 2-е. / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. М.: Радиотехника. 2004, стр. 50]. Схематически такие АР представлены в виде излучателей 1, расположенных на плоской апертуре (фиг. 1) и подключенных к излучателям ППМ 2 (фиг. 2). Минимальное число излучателей по осям 0X (N_x) и 0Y (N_y) в ФАР и АФАР зависит от секторов сканирования 2ϕ_ск и 2θ_ск соответственно в азимутальной и угломестной плоскостях (фиг. 1):

где λ_min - минимальная длина волны рабочего диапазона; ][ - операция взятия целого числа.

При подключении к каждому ППМ группы излучателей, общее число излучателей N не меньше, чем число ППМ N_м. Однако такая АФАР [Активные фазированные антенные решетки. Изд. 2-е. / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. М.: Радиотехника. 2004, стр. 50] имеет очень ограниченный сектор сканирования.

При подключении каждого излучателя АФАР к каждому ППМ общее число излучателей N равно общему числу ППМ N_м:

При этом сектор сканирования АФАР увеличивается.

Известно, что АФАР существенно превосходят ФАР по таким свойствам, как возможность повышения излучаемой мощности, по надежности, по эффективности многоканальной цифровой пространственно-временной обработки сигнала. В то же время АФАР существенно проигрывают ФАР в стоимости и массе из-за высокой стоимости и повышенных массогабаритных характеристик отдельных ППМ.

Бортовая АФАР Х-диапазона, устанавливаемая в носовой части летательного аппарата, должна обеспечивать следующие пространственные сектора электрического сканирования лучом по углам θ и ϕ: в угломестной плоскости, и -60°≤ϕ≤60°, и даже более, в азимутальной плоскости, где θ₀ - направление среднего значения угла сканирования в угломестной плоскости (0≤⎜θ₀⎜≤45°); - границы сектора сканирования при θ₀=0. Обычно для бортовых АФАР . Кроме того, поляризация антенны должна быть горизонтальной.

Максимальный сектор электрического сканирования в решетках с плоским излучающим раскрывом (плоской апертурой) ограничен из-за известных ограничений на максимальное расстояние между соседними излучателями и конструктивных размеров поперечных сечений ППМ. Так, проведенное моделирование показывает, что для АР с излучателями в виде вертикальных щелей в торцевой стенке закороченного волновода (горизонтальная поляризация антенны) максимальный сектор сканирования в угломестной плоскости (в плоскости, проходящей через продольную ось щели, и перпендикулярную к торцевой стенке волновода) при условии θ₀=0 и допустимого падения коэффициента усиления (КУ) антенны на границах сектора сканирования в пределах 4…5 дБ не превышает ±45°, а при сканировании в секторе углов ±60° в азимутальной плоскости (в плоскости, перпендикулярной продольной оси щели) падение КУ на границах сектора сканирования составляет не менее 3 дБ.

В качестве излучателей могут использоваться также горизонтальные щели с вертикальной поляризацией, или системы двух ортогональных щелей с круговой поляризацией, а также вибраторные, волноводные, рупорные или иные излучатели.

При вертикальной поляризации (горизонтальных щелевых излучателях) максимальный сектор сканирования в азимутальной плоскости при падении КУ антенны на границах сектора сканирования в пределах 4…5 дБ не превышает ±45°, а при сканирования в угломестной плоскости в секторе углов ±60° падение КУ на границах сектора сканирования составляет не менее 3 дБ.

Соответственно для круговой поляризации сектора сканирования в обеих плоскостях при падении КУ в пределах 4…5 дБ на краях сектора сканирования приблизительно ограничены значением ±45°.

Стремление расширить сектор сканирования сверх ±60° в азимутальной плоскости даже для вертикальных щелевых излучателей приводит к значительному падению КУ на краях сектора сканирования для рассматриваемой выше АР. Поэтому для обеспечения требуемого КУ на краях сектора сканирования обычно стремятся уменьшить размеры отдельного излучателя и расстояние между излучателями, или (если это невозможно) увеличивают число излучателей и число ППМ. Так, для повышения требуемого КУ на 3 дБ число излучателей и модулей в АФАР должно быть увеличено в два раза, соответственно при этом увеличиваются размеры апертуры АФАР, и АФАР по сути превращается в «две исходные АФАР» с размерами апертур L_x*L_y для каждой из АФАР (фиг. 3). При этом существенно возрастает стоимость и масса АФАР. Поэтому непосредственное использование такого приема в бортовых АФАР малоперспективно из-за ограничений по числу модулей АФАР, их стоимости и массы, а также предельных размеров апертуры АФАР.

В [Патент РФ 2277739. Активная фазированная антенная решетка с изменяемой конфигурацией. Канащенков A.M., Гуськов Ю.Н., Дмитриев А.А., Емельченков Ф.И., Францев В.В. Опубл. 10.06.2006. Бюл. 16.] предложена выпуклая АФАР с усеченной четырехгранной пирамидой, в которой боковые грани могут разворачиваться в единую плоскость, с механическим вращением этой плоскости в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

В [Активные фазированные антенные решетки. Изд. 2-е. / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. М.: Радиотехника. 2004, глава 5] рассмотрены схемы построения АФАР со сферическими и другими вариантами выпуклой ФАР, позволяющими расширить сектора сканирования.

В [Полезная модель 91228 RU. Активная фазированная антенная решетка. Кашаев Н.К. Опубл. 27.01.2010.] для расширения сектора сканирования АФАР предлагается несколько полотен АФАР размещать на боковых гранях усеченной пирамиды.

Однако конфигурация предложенных в [Активные фазированные антенные решетки. Изд. 2-е. / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. М.: Радиотехника. 2004; Патент РФ 2277739. Активная фазированная антенная решетка с изменяемой конфигурацией. Канащенков А.И, Гуськов Ю.Н., Дмитриев А.А., Емелъченков Ф.И., Францев В.В. Опубл. 10.06.2006. Бюл. 16; Полезная модель 91228 RU. Активная фазированная антенная решетка. Катаев Н.К. Опубл. 27.01.2010.] АФАР затрудняет их использование в бортовых АФАР из-за громоздкости конструкции. Кроме того, такие АФАР обладают значительным числом модулей АФАР, значительной массой и стоимостью.

В [Патент РФ 2429990. Многофункциональная радиолокационная станция высокого разрешения с активной фазированной решеткой для пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов. Андреев Г.И., Абрамов А.В., Татаренков КВ., Яковлев A.M., Осокин В.В., Габбасов М.З., Прудников Е.А. Опубл. 27.09.2011. Бюл. №27.] предложена АР для РЛС высокого разрешения для летательных аппаратов, состоящая из 512 активных каналов, сканирующая по азимуту и углу места. Недостатком этой АФАР является очень ограниченный сектор сканирования в азимутальной, и особенно в угломестной, плоскостях, а также значительное число активных модулей, равное числу каналов (излучателей), и, как следствие, значительная стоимость и масса антенны.

Обычно АФАР состоят из блока одноканальных ППМ. Так, АФАР [George W. Stimson Electronically Steered Array Antennas (ESAs) / Introduction to Airborne Radar. Second edition. Chap. 37. Scitech publishing, Inc., Mendham. New Jersey. 1998] PJIC из N излучателей содержит N_м=N ППМ, в каждый из которых входят: излучатель 2, вход (выход) которого подключен к третьему плечу циркулятора 3, первое плечо которого подключено к входу ограничителя 4, выход ограничителя 4 соединен с входом малошумящего усилителя (МШУ) 5, выход которого подключен к первому плечу переключателя прием-передача 6, второе плечо которого соединено с входом усилителя мощности 7, выход которого подключен к второму плечу циркулятора 3. Третье плечо переключателя прием-передача 6 подключено к входу фазовращателя 8, выход которого подключен к одному из N входов (выходов) распределительного устройства 9, вход которого подключен к выходу задающего устройства РЛС. Выход распределительного устройства 9 соединен с входом приемного устройства РЛС (фиг. 4). Недостатком этой схемы является одноканальность каждого модуля, т.е. каждый модуль имеет только один вход/выход, подключенный только к одному излучателю.

Для многих целей сектор электрического сканирования в азимутальной плоскости для бортовых ФАР Х-диапазона с горизонтальной поляризацией должен быть расширен до ϕ_ск=±60°…±90° и даже больше, при сохранении сектора сканирования в угломестной плоскости в пределах .

Для расширения сектора сканирования в азимутальной плоскости до значений , где , предлагается трансформировать полотно АР, изображенной на фиг. 3, в АР, выполненную в виде двух прямоугольных АР, симметрично расположенных относительно продольной оси 0Z (продольной оси самолета (вертолета)) и под углом относительно друг друга (фиг. 5). При этом излучающие поверхности антенн образуют клин с углом клина . В частности, при сектор сканирования в азимутальной плоскости определяется из неравенства -2ϕ_ск≤ϕ≤2ϕ_ск и увеличивается в два раза.

Для обеспечения более равномерной зависимости коэффициента усиления АФАР при сканировании в азимутальной плоскости в угловой области вблизи продольной оси 0Z самолета (вертолета) и повышения надежности АФАР величину целесообразно выбирать из условия , где 2ϕ_0,7 - ширина диаграммы направленности (ДН) АР в азимутальной плоскости.

Для обеспечения требуемого сектора сканирования в угломестной плоскости расстояние между соседними излучателями по оси 0Y при θ₀=0 не должно превышать

а в азимутальной плоскости

При треугольной (гексагональной) сетке излучателей (фиг. 6) расстояние d_y можно увеличить в 2/ раз. Поэтому

Однако при ⎜θ₀⎜>0 требования к расстоянию d_y возрастают до значений

Для обеспечения горизонтальной поляризации и шага d_x в качестве отдельного излучателя в АР целесообразно использовать вертикальную полуволновую щель, расположенную в торцевой стенке прямоугольного волновода. Возбуждение такого излучателя осуществляется либо с помощью коаксиально-вибраторного (в боковой стенке волновода), либо с помощью коаксиально-петлевого перехода в противоположной торцевой стенке волновода (фиг. 7,а,б). При этом, так как размер узкой стенки волновода b выбирается из условия b<0,5λ_min, для выбранной схемы компоновки излучателей в раскрыве АФАР (фиг. 6) условие (4) может быть обеспечено. Размер широкой стенки волновода обычно выбирается из условия а≥0,65λ_min. Соответственно, при выборе размера широкой стенки волновода из этого условия неравенство (5) с учетом толщины стенок волновода удается выполнить лишь при значительном падении КУ на краях сектора сканирования даже при θ₀=0. При ⎜θ₀⎜>0 падение КУ на одном из краев сектора сканирования увеличивается еще больше. С другой стороны, часто требования к сектору сканирования в угломестной плоскости таковы, что он становится несимметричным относительно направления θ₀=0, т.е. требования к максимальному отклонению луча вниз и вверх относительно плоскости X0Z являются различными. При этом требование к наибольшему отклонению луча остается неизменным на уровне . Поэтому при ⎜θ₀⎜>0 можно уменьшить на величину ⎜θ₀⎜, например, с помощью соответствующего наклона апертуры АР на угол ⎜θ₀⎜ относительно оси 0Y, и таким способом уменьшить падение КУ на одном из краев сектора сканирования.

Вариант полотна плоской АФАР с максимально возможными секторами сканирования в азимутальной и угломестной плоскостях представлен на фиг. 8.

Для уменьшения числа ППМ в два раза предлагается использовать двухканальный ППМ. Схема такого ППМ и схема АФАР с двухканальными ППМ приведена на фиг. 9, где каждый из двух входов (выходов) активной части модуля через переключатель П подсоединяется поочередно к каждому из двух излучателей 10, 11.

Переключатель П может быть электрически управляемым. В этом случае время переключения может быть менее 1 мс. При этом как при подключении излучателей через вход 10, так и при подключении излучателей через вход 11 все элементы схемы АФАР остаются неизменными, поэтому стоимость и весовые характеристики ППМ АФАР с дополнительным переключателем и без переключателя меняются очень незначительно.

Цель изобретения направлена на существенное (в два раза) уменьшение числа ППМ в АФАР и расширение сектора электрического сканирования в азимутальной плоскости до двух раз от -2ϕ_ск до 2ϕ_ск и обеспечение сектора сканирования в угломестной плоскости от значений до для произвольных углов θ_о из интервала ⎜θ₀⎜≤45° и значений , выбираемых из условия .

Наиболее близкой к заявляемому является передающая АФАР для РЛС AN/FPS-85 с плоской прямоугольной излучающей апертурой и с электрическим сканированием в азимутальной и угломестной плоскостях [Elson В.М. U.S. Space Tracking Capability to Double // Aviation Week and Space Technology. 1968. January 1. P. 64-67.] и числом активных модулей, равным числу излучателей. Схема размещения излучателей в апертуре аналогична схеме, приведенной на фиг. 3. Недостатком этой АФАР являются малые углы сканирования и значительное число активных модулей, а, следовательно, высокая стоимость и значительный вес АФАР.

Сущность изобретения заключается в создании АФАР для бортовых РЛС с широкоугольным электрическим сканированием в азимутальной и угломестной плоскостях при существенном уменьшении числа модулей, стоимости и массы АФАР.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что известная бортовая активная фазированная антенная решетка Х-диапазона, состоящая из двух активных фазированных антенных решеток (АФАР), каждая из которых состоит из излучающего полотна в виде излучающей поверхности из N щелевых излучателей, расположенных в торцах отрезков прямоугольных волноводов и образующих плоский излучающий раскрыв с размером L_x*L_y, и N приемопередающих модулей (ППМ), подсоединенных к излучателям и обеспечивающих электрическое сканирование в азимутальной плоскости в секторе углов ±ϕ_ск и в угломестной плоскости в секторе углов ±θ_ск, согласно заявляемому изобретению, АФАР выполнена в виде двух антенных решеток (АР) с плоской прямоугольной апертурой с общим числом излучателей 2N, расположенных симметрично относительно оси, совмещаемой с продольной осью самолета (вертолета), с наклоном θ₀ относительно прямоугольных апертур при θ₀=0 и под углом относительно друг друга, так что излучающая поверхность АФАР образует угол между линией пересечения плоскостей, в которых лежат излучающие полотна, и вертикальной осью, зависящий от значения , и блока из N ППМ с двухканальным входом (выходом), расположенных с внутренней стороны излучающих полотен АФАР, при этом каждый ППМ снабжен электрически управляемым переключателем каналов, обеспечивающим синхронное подключение входов (выходов) ППМ с выходом (входом) соответствующего полотна АР.

В частном случае излучающие полотна АФАР образуют клин или усеченный клин. Также излучающие полотна АФАР могут быть выполнены в форме эллипса с соотношением осей эллипса, равных отношению ширин диаграммы направленности каждой апертуры в угломестной и горизонтальной плоскостях.

Излучающие полотна АФАР могут быть образованы излучателями с вертикальной или горизонтальной поляризацией, или излучателями с эллиптической поляризацией с произвольным коэффициентом эллиптичности.

Излучающее полотно АФАР выполняется в виде двух прямоугольных АР, каждая с плоской излучающей поверхностью и числом излучателей N, определяемых соотношением (1), расположенных симметрично относительно продольной оси самолета (вертолета) и под углом относительно друг друга, апертуры прямоугольных АР наклонены на угол ±θ₀ относительно этих апертур при θ₀=0, так что излучающие поверхности антенн образуют часть поверхности клина с углом клина и углом между ребром клина и вертикальной осью 0Y. Значение зависит от значения θ₀: Во внутренней области клина располагается блок из N двухканальных ППМ. Каждый двухканальный ППМ имеет два переключаемых независимых входа-выхода с помощью электрически управляемого переключателя, размещаемого внутри двухканального ППМ.

Каждый из блока модулей ППМ 1 через электрически управляемый переключатель П 2 подключается к соответствующему излучателю 4 или только левого (относительно оси летательного аппарата 0Z), или только правого полотна излучающей ФАР 3 (фиг. 10). Поэтому при сканировании в азимутальном секторе в диапазоне углов от 0 до работают N ППМ и правое полотно ФАР с N излучателями, а при сканировании в азимутальном секторе в диапазоне углов от 0 до работают те же N ППМ и левое полотно ФАР с N излучателями. И хотя общее число излучателей в предлагаемой АФАР N_∑ увеличивается по сравнению с числом излучателей N каждой АР в два раза (N_∑=2N), число ППМ N_м остается неизменным, т.е. N_м=N. Практически мало меняется при этом стоимость АФАР, т.к. стоимость переключателя С_П, стоимость полотна АР С_АР и стоимость прочих элементов АФАР C_ПР значительно меньше стоимости N_м ППМ модулей:

где - стоимость АФАР с N излучателями; - стоимость АФАР с 2N излучателями.

Аналогичные соотношения имеют место и при оценке массы М АФАР:

где - масса АФАР с N излучателями; М_1М - масса одного ППМ; М_АР - масса полотна АР; М_П - масса переключателя; М_ПР - масса прочих элементов АФАР; - масса АФАР с 2N излучателями.

Поэтому

С целью более удобной компоновки блока ППМ 1 с излучателями 4 левого и правого полотен ФАР 3 излучающая поверхность АФАР выполняется в виде усеченного клина с размещением блока модулей ППМ 1 и переключателей 2 между полотнами АФАР (фиг. 11).

Ширина ДН в азимутальной 2ϕ_0,7 и угломестной 2θ_0,7 плоскостях для положения луча по нормали к апертуре к каждой АР зависит от размера L_х=N_хd_x и размера L_y=N_yd_y, и для равномерного амплитудного распределения на средней длине волны λ₀ определяется соотношениями

Соответственно, уровень боковых лепестков равен -13 дБ в обеих плоскостях. Соотношения (9) используются для выбора числа излучателей по оси 0X N_x и по оси 0Y N_y в зависимости от требуемой ширины ДН в азимутальной и угломестной плоскостях для каждого плоского излучающего раскрыва.

Для уменьшения уровня боковых лепестков в обеих плоскостях плоский излучающий раскрыв каждой АР выполняется в форме эллипса с соотношением полуосей эллипса r_г и r_в в горизонтальной и вертикальной плоскостях (фиг. 12 - в форме эллипса ФАР)

Заявляемое изобретение удовлетворяет критерию «существенные отличия», т.к. выполнение АФАР в виде двух АР с плоской апертурой с общим числом излучателей 2N, расположенных симметрично относительно продольной оси самолета (вертолета) и под углом относительно друг друга, плоскости апертур АР наклонены на угол ±θ₀ относительно вертикали к продольной оси самолета (вертолета), так что излучающие поверхности антенн образуют часть поверхности клина с углом клина и углом θ₀ между ребром клина и вертикальной осью, и блока из N двухканальных ППМ и электрически управляемого переключателя обеспечивает получение новых свойств АФАР, а именно: расширение сектора электрического сканирования, уменьшение в два раза числа используемых ППМ, уменьшение стоимости и массы АФАР.