Способ построения активной фазированной антенной решетки

Изобретение относится к антенной технике, а именно к способам построения активных фазированных антенных решеток (АФАР) для систем радиосвязи и радиолокации.

Известен способ построения фазированной антенной решетки (ФАР) [1 - стр. 661, рис. 13.44, Справочник по радиолокации. / Под ред. М.И. Сколника. М: Техносфера. 2014 г. книга 1. - 672 с.], при котором устанавливают N горизонтальных линеек излучателей, одну над другой и N приемопередатчиков, при этом каждая линейка излучателей содержит М объединенных через делитель мощности излучателей, который в режиме приема работает как сумматор мощности. К входу делителя мощности подключают вход-выход приемопередатчика. Выход формирователя зондирующего сигнала соединяют с делителем мощности по числу линеек излучателей, в каждом приемопередатчике устанавливают фазовращатель. Вход приемной части приемопередатчика соединяют с выходом его передающей части через устройство защиты и циркулятор, а выход - с аналого-цифровым преобразователем.

Недостатком известного способа является наличие потерь принимаемого сигнала в сумматорах пассивных линеек излучателей. Эти потери вносятся перед малошумящим усилителем (МШУ), поэтому вызывают ухудшение чувствительности АФАР в режиме приема.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ построения фазированной антенной решетки [2 - стр. 25, рис. 2.3, 2.5 Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев. 2000 г. - 420 с.], взятый за прототип, при котором объединяют антенные элементы в пассивные линейные подрешетки, внутри которых каждый антенный элемент соединяют через фазовращатель с сумматором подрешетки, который в режиме передачи используют как делитель мощности, при этом в режиме передачи формируют зондирующий сигнал в блоке формирования сигналов, усиливают его в усилителе мощности, делят по числу подрешеток, распределяют на подрешетки с помощью распределительной системы и устанавливают направление передающего луча с помощью фазовращателей подрешеток. В режиме приема объединяют принимаемые сигналы в подрешетках с помощью сумматоров подрешеток, усиливают их, преобразуют по частоте, выполняют дискретизацию и формируют приемную диаграмму направленности (ДН) в системе цифрового диаграммообразования путем весового суммирования сигналов с выходов подрешеток. При этом преобразование в цифровую форму производится квадратурными аналого-цифровыми преобразователями на нулевой частоте, а для развязки приемной и передающей частей используют антенный переключатель.

Недостатком прототипа является использование в антенной решетке пассивных линейных подрешеток, антенные элементы которых объединяются с помощью сумматоров мощности, что в режиме приема ухудшает чувствительность приемной части АФАР, а в режиме передачи снижает мощность излучаемого сигнала. С учетом того, что в сумматорах диссипативные потери составляют, в зависимости от числа антенных элементов и используемого диапазона частот, от 0,5 до 1,5 дБ, это вызывает увеличение коэффициента шума приемной части на величину от 0,5 до 1,5 дБ. В режиме передачи сумматор работает как делитель мощности, и потери в нем снижают мощность излучаемого сигнала на величину от 0,5 до 1,5 дБ.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение потерь сигнала между антенными элементами и приемопередающими модулями (ППМ).

Для решения указанной технической проблемы предлагается способ построения активной фазированной антенной решетки, при котором для излучения и приема сигналов используют антенные элементы, при этом в режиме передачи формируют передаваемый сигнал, усиливают его в усилителе мощности, распределяют с помощью распределительной системы, в режиме передачи устанавливают направление передающего луча с помощью фазовращателей, в режиме приема усиливают принимаемые сигналы, преобразуют по частоте, выполняют дискретизацию сигналов и формируют приемную диаграмму направленности путем весового суммирования сигналов в системе цифрового диаграммообразования.

Согласно изобретению, размещают антенные элементы на передних панелях многоканальных приемопередающих модулей в узлах прямоугольной или треугольной сетки, с шагом по вертикали и горизонтали, определяемым требуемым сектором сканирования, соответственно, в вертикальной и горизонтальной плоскостях, соединяют каждый излучатель со входом-выходом одного из каналов многоканального приемопередающего модуля, при этом в передающей части каждого канала устанавливают усилитель мощности и фазовращатель, а для развязки приемной и передающей частей канала используют циркулятор или коммутатор, формируют антенное полотно активной фазированной антенной решетки из многоканальных приемопередающих модулей, устанавливая их рядом друг с другом таким образом, чтобы поверхности их передних панелей были расположены в одной плоскости, а расстояние между излучателями сохранялось неизменным в вертикальной и горизонтальной плоскостях, при этом передние панели приемопередающих модулей выполняют функцию экрана, формируют сигнал гетеродина, сигнал дискретизации, и распределяют их на многоканальные приемопередающие модули, в режиме передачи формируют передающий луч с заданной формой путем установки фазовых и амплитудных соотношений передаваемого сигнала в каналах приемопередающих модулей, при этом в режиме приема выполняют дискретизацию сигнала на промежуточной частоте с выхода приемной части каждого канала приемопередающего модуля, а приемную диаграмму направленности формируют с требуемым числом лучей.

Техническим результатом предлагаемого способа является снижение размеров активной фазированной антенной решетки.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:

- в прототипе передаваемый сигнал формируется в блоке формирования сигналов, далее он усиливается в усилителе мощности, полученный сигнал распределяется на все ППМ с помощью распределительной системы. При таком построении сигнал, подаваемый на вход распределительной системы, ослабляется на ее выходе, в зависимости от конструкции системы и количества ППМ, на которые он распределяется, на величину от 3 до 10 дБ. Соответственно в эфир излучается сигнал со сниженной мощностью из-за потерь в распределительной системе. В то время как в предлагаемом способе передаваемый сигнал усиливается в каждом приемопередающем модуле с помощью встроенного усилителя мощности и эти потери отсутствуют;

- в прототипе фазированная антенная решетка разделена на пассивные подрешетки, объединяющие антенные элементы с помощью сумматора мощности подрешетки, который в режиме передачи используют как делитель мощности. В то время как в предлагаемом способе антенный элемент соединен линией связи минимальной длины со входом-выходом одного из каналов многоканального приемопередающего модуля. Такое построение сокращает потери выходной мощности зондирующего сигнала и снижает коэффициент шума приемной части по сравнению с прототипом;

- в прототипе излучающая система антенной решетки формируется из пассивных антенных линеек, в то же время в предлагаемом способе излучающая система антенной решетки формируется из многоканальных ППМ с установленными на передней панели излучателями, при этом ППМ устанавливают рядом друг с другом таким образом, чтобы поверхности их передних панелей были расположены в одной плоскости, а расстояние между излучателями сохранялось неизменным в вертикальной и горизонтальной плоскостях;

- в прототипе электронное сканирование лучей возможно выполнить только в одной плоскости, при расположении пассивных антенных линеек по горизонтали, сканирование возможно только в угломестной плоскости, что сужает функциональные возможности АФАР. В то время как в предлагаемом способе электронное сканирование выполняется в двух плоскостях;

- в прототипе дискретизация принимаемого сигнала производится на нулевой частоте, что требует использования двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП), в предлагаемом способе дискретизация производится на промежуточной частоте с помощью одного АЦП.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа построения активной фазированной антенной решетки из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, обеспечивающего реализацию предложенного способа.

На фиг. 2 приведена структурная схема системы цифрового диаграммообразования.

На фиг. 3 приведена структурная схема блока управления.

На фиг. 4 приведена структурная схема преобразователя частоты.

На фиг. 5 приведена структурная схема модуля управления и цифровой обработки сигналов.

При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий:

- размещают антенные элементы на передних панелях многоканальных ППМ в узлах прямоугольной или треугольной сетки, с шагом по вертикали и горизонтали, определяемым требуемым сектором сканирования, соответственно, в вертикальной и горизонтальной плоскостях - 1;

- соединяют каждый излучатель линией связи минимальной длины со входом-выходом одного из каналов многоканального приемопередающего модуля, при этом в передающей части каждого канала устанавливают усилитель мощности и фазовращатель, а для развязки приемной и передающей частей канала используют циркулятор или коммутатор - 2;

- формируют антенное полотно активной фазированной антенной решетки из многоканальных приемопередающих модулей, устанавливая их рядом друг с другом таким образом, чтобы поверхности их передних панелей были расположены в одной плоскости, а расстояние между излучателями сохранялось неизменным в вертикальной и горизонтальной плоскостях, при этом передние панели приемопередающих модулей выполняют функцию экрана -3;

- формируют сигнал гетеродина и сигнал дискретизации, и распределяют их с помощью распределительной системы, соответственно, на входы сигнала гетеродина и сигнала дискретизации многоканальных приемопередающих модулей - 4;

- в режиме передачи формируют передаваемый сигнал, усиливают его в усилителе мощности, распределяют с помощью распределительной системы на многоканальные приемопередающие модули - 5;

- в режиме передачи устанавливают направление передающего луча с помощью фазовращателей, формируют передающий луч с заданной формой путем установки фазовых и амплитудных соотношений передаваемого сигнала в каналах приемопередающих модулей и излучают его с помощью антенных элементов, подключенных к этим каналам - 6;

- в режиме приема усиливают принимаемые антенными элементами сигналы и преобразуют их по частоте в приемной части каждого канала многоканальных приемопередающих модулей, выполняют дискретизацию сигналов на промежуточной частоте с выхода приемной части каждого канала - 7;

- формируют приемную диаграмму направленности (ДН) путем весового суммирования сигналов в системе цифрового диаграммообразования, при этом приемную диаграмму направленности формируют с требуемым числом лучей - 8.

Реализация предложенного способа построения АФАР возможна, например, с помощью устройства, включающего в себя (фиг. 1) N приемопередающих модулей (ППМ) 1, блок управления (БУ) 2, первый управляющий выход которого подключен к управляющему входу блока формирования сигналов (БФС) 3, второй управляющий выход - ко входу управления системы цифрового диаграммообразования (СЦДО) 4 и N управляющих выходов, подключенных к управляющим входам всех ППМ 1, а вход является входом управления АФАР. Выходы передаваемого сигнала (ПС), сигнала гетеродина F_ГЕТ сигнала дискретизации F_Д БФС 3 подключены к распределительной системе (PC) 5.

PC 5 имеет N выходов ПС, соединенных со входами ПС ППМ 1, N выходов дискретизации Fд, соединенных со входами дискретизации ППМ 1, N выходов гетеродина Fгет, соединенных с гетеродинными входами ППМ 1.

ППМ 1 содержат первый и второй делители мощности (ДМ) 6 и 7, входы которых являются соответственно передаваемым и гетеродинным входом ППМ 1, модуль управления и цифровой обработки сигналов (МУЦОС) 8, вход дискретизации которого является входом дискретизации ППМ 1, а управляющий вход является управляющим входом ППМ 1. ППМ 1 содержит также М каналов, каждый из которых содержат последовательно соединенные фазовращатель (ФВ) 9, вход которого является входом канала и соединен с одним из М выходов первого делителя мощности 6, а управляющий вход является первым управляющим входом канала и соединен с одним из управляющих выходов МУЦОС 8, усилитель мощности (УМ) 10, циркулятор Ц 11 и антенный элемент (АЭ) 12.

К выходу циркулятора 11 подключены последовательно соединенные малошумящий усилитель (МШУ) 13, преобразователь частоты (ПРЧ) 14, гетеродинный вход которого является гетеродинным входом канала и подключен к одному из М выходов второго делителя мощности 7, управляющий вход является вторым управляющим входом канала и подключен к одному из управляющих выходов МУЦОС 8, а выход является выходом промежуточной частоты (ПЧ) канала и подключен к одному из входов ПЧ МУЦОС 8.

Выход данных МУЦОС 8 является выходом данных ППМ 1 и соединен с одним из N входов данных СЦДО 4, управляющий вход МУЦОС 8 является управляющим входом ППМ 1 и соединен с одним из N управляющих выходов БУ 2.

СЦДО 4 (фиг. 2) имеет К формирователей 15 по числу формируемых лучей, каждый из которых содержит N каналов, при этом входы i-тых каналов (i=1 … N) в формирователях 15 объединены. Каждый канал формирователя 15 содержит перемножитель 16, первый вход которого является входом канала, ко второму входу подключен выход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 17, а выход перемножителя 16 является выходом канала и подключен к одному из N входов цифрового сумматора 18, выход которого подключен к одному из К входов интерфейса (И) 19. Выход интерфейса 19 является выходом СЦДО 4 и всего устройства. СЦДО 4 может быть выполнено, в зависимости от числа ППМ 1 и числа лучей К, в виде одной или нескольких программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Блок управления (БУ) 2 (фиг.З), имеет устройство управления (УУ) 20, вход которого является управляющим входом АФАР. УУ 20 также имеет N+2 управляющих выходов, которые являются управляющими выходами БУ 2. УУ 20 может быть выполнено, в зависимости от числа ППМ 1 и числа лучей К, в виде одной или нескольких программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

ПРЧ 14 (фиг. 4) представляет собой последовательно соединенные смеситель (СМ) 21, вход которого является входом ПРЧ 14, а гетеродинный вход - гетеродинным входом ПРЧ 14 и усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 22, выход которого является выходом промежуточной частоты (ПЧ) ПРЧ 14, а управляющий вход - управляющим входом ПРЧ 14.

МУЦОС 8 (фиг.5) включает в себя М аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 23, входы которых являются входами ПЧ МУЦОС 8, входы сигнала дискретизации подключены к выходам третьего делителя мощности (ДМ) 24, а выходы подключены ко входам блока управления и обработки (БУО) 25. Первый и второй управляющие выходы БУО 25 являются соответственно первым и вторым управляющим выходами МУЦОС 8. Выход данных и управляющий вход БУО 25 являются соответственно выходом данных и управляющим входом МУЦОС 8. Вход третьего делителя мощности 24 является входом дискретизации МУЦОС 8.

БФС 3 представляет собой три синтезатора частоты, обеспечивающих формирование передаваемого сигнала ПС, сигнала дискретизации Fд, сигнала гетеродина Fгет и усилитель мощности передаваемого сигнала ПС. При этом могут быть использованы, например, синтезаторы и усилители из [3 - стр. 142-143. Mini-Circuits. RF & Microwave components guide. 2010].

PC 5 представляет собой делители мощности, разветвляющие передаваемый сигнал ПС, сигнал дискретизации Fд, и сигнал гетеродина Fгет на N выходов с помощью делителей мощности [3 - стр. 136 -140].

В режиме передачи АФАР формирует передающую диаграмму направленности (ДН) путем установки в ППМ 1 требуемых фазовых соотношений регулировкой сдвига фазы передающего сигнала ПС в фазовращателях 9. При необходимости, амплитудное распределение в АФАР может быть установлено соответствующим выбором делителей мощности в PC 5.

Для случая плоской прямоугольной АФАР, апертура которой содержит N_x АЭ 12, установленных вдоль координаты X на расстоянии d_x, и N_y АЭ 12, установленных вдоль координаты Y, на расстоянии d_y, диаграмма направленности F(ϕ, θ) определяется как [2 - стр. 27-28]:

где

где A_xi,A_yj- коэффициенты амплитудного распределения вдоль координат X и Y соответственно;

ψ_xi, ψ_yi - коэффициенты фазового распределения, представленные в виде фазовых сдвигов в фазовращателях 9, после которых сигнал усиливается в УМ 10, и через циркулятор 11 поступает на АЭ 12, которые расположены вдоль координат X и Y соответственно.

После поступления передающего сигнала ПС на подключенный к этому каналу антенный элемент (АЭ) 12 по соединительной цепи минимальной длины он излучается в пространство. После излучения ПС АФАР переходит в режим приема.

В режиме приема принимаемые отраженные сигналы с выхода каждого АЭ 12 в каждом ППМ 1 проходят через циркулятор 11, усиливаются в МШУ 13, преобразуются по частоте в ПРЧ 14 и представляются в виде цифровых отсчетов S_mn(t) с помощью АЦП 23.

Из полученных цифровых отсчетов формируют приемную одно- или многолучевую ДН путем взвешенного суммирования в СЦДО 4. Число формируемых лучей определяется назначением АФАР.

Отсчеты i-го луча с направлением максимума ϕ_i, θ_i вычисляются путем умножения цифрового потока с каждого ППМ 1 в перемножителях 16 на весовой множитель W_mn(ϕ_i, θ_i) из ПЗУ 17 и суммирования в цифровом сумматоре 18. Диаграмма направленности для i-го луча имеет вид

где

Сформированные отсчеты К приемных лучей с выходов формирователей 15 поступают в интерфейс 19, где преобразуются в последовательную форму и в виде последовательных кодов передаются на выход АФАР.

В предлагаемом способе усилители мощности 10 установлены в каждом канале многоканального ППМ и его выход через циркулятор 11 и линию связи минимальной длины соединен с антенным элементом 12. В то время как в прототипе сигнал с выхода усилителя мощности поступает на распределительную систему, где он ослабляется на величину от 3 до 10 дБ в зависимости от конструкции и количества ППМ. Соответственно, в прототипе в эфир излучается сигнал со сниженной мощностью из-за потерь в распределительной системе. Таким образом, в предлагаемом способе потери передаваемого сигнала ниже на величину от 3 до 10 дБ, чем в прототипе.

В режиме приема в предлагаемом способе потери принимаемого сигнала ниже, чем в прототипе, за счет коротких линий связи между антенными элементами 12 и входом-выходом одного из канала многоканального ППМ 1. Такое построение в режиме приема снижает коэффициент шума приемной части АФАР, по сравнению с прототипом, на величину потерь в сумматоре-делителе мощности из состава антенной линейки прототипа, которые составляют, в зависимости от числа антенных элементов и используемого диапазона частот, величину от 0,5 до 1,5 дБ.

Работоспособность предлагаемого способа была проверена на макете устройства (фиг. 1). Испытания показали совпадение полученных характеристик с расчетными.