ПРИЕМНАЯ МНОГОЛУЧЕВАЯ АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
RECEIVING MULTI-BEAM ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Предлагаемое в качестве изобретения техническое решение относится к антеннам, имеющим, по меньшей мере, две диаграммы направленности, и может быть использовано в системах связи для приема широкополосных сигналов, в том числе в системах СВЧ диапазона, например, в бортовых космических системах связи.
Ближайшим аналогом технического решения приемной многолучевой активной фазированной антенной решетки (далее АФАР) является приемная многолучевая активная фазированная антенная решетка по патенту РФ №2352034 (МКИ H01Q 3/36, ГУН г. Москвы НПЦ "СПУРТ", опубликовано 10.04.2009). Входной модуль АФАР содержит на каждом из N (N≥2) входов (М по описанию) n-ую группу из последовательно соединенных излучателя, малошумящего усилителя, М-канального (N-канального по описанию) делителя мощности (где М≥2.), а также параллельно подключенные к последнему первыми входами М фазовращателей, параллельно соединенные кроме того вторыми (управляющими) входами с блоком управления, и лучевой сумматор. При этом выход каждого из M×N фазовращателей соединен с соответствующим входом соответствующего лучевого сумматора, то есть выход каждого m-го фазовращателя каждой n-ой группы подключен к n-му входу m-го лучевого сумматора.
Выходной модуль АФАР содержит М (N по описанию) выходных каналов. Каждый m-канал содержит последовательно соединенные узкополосный лучевой полосно-пропускающий фильтр и выходной усилитель.
При приеме сигналов высокой частоты (в миллиметровом диапазоне) описанное устройство имеет небольшие геометрические размеры, которые возможно уменьшить пропорционально длине волны. Однако, стоимость таких АФАР значительно возрастает в основном за счет сложной реализации ее основных элементов - фазовращателей. Кроме того, в пассивных элементах (делителях, сумматорах, линиях передачи) при прохождении и обработке сигналов высокой частоты возникают больше потери. Для надежного приема сигнала потребителем требуется введение в схему дополнительных элементов, также ведущих к дополнительному усложнению и удорожанию устройства.
Целью предлагаемого в качестве изобретения технического решения является создание приемной многолучевой активной фазированной антенной решетки, позволяющей без увеличения стоимости АФАР и при сохранении технологичности сборки изделия расширить рабочую полосу известных АФАР для осуществления надежного и устойчивого приема сигналов СВЧ диапазона, а именно - миллиметрового диапазона, свыше 30 ГГц.
Цель достигается в приемной многолучевой активной фазированной антенной решетке (АФАР) повышением верхней границы рабочей полосы АФАР за счет того, что частоту принятого сигнала высокой частоты конвертируют в более низкую частоту, на которой осуществляют дальнейшую обработку и передачу потребителям. Для этого во входную часть структурной схемы АФАР включают в соответствии с количеством N входов по N понижающих смесителей с гетеродинами и компенсирующих усилителей. При обработке сигнала на пониженной частоте нет необходимости применять в АФАР дорогостоящие фазовращатели, удается также избежать дополнительных потерь в пассивных элементах. Таким образом, без существенных затрат реализуется прием сигнала существенно более высокого уровня (миллиметрового диапазона). Кроме того, не требуется доработки аппаратуры каждого из М потребителей.
Приемная многолучевая активная фазированная антенная решетка, выполненная с возможностью подачи необходимого напряжения питания на все элементы схемы, требующие питания, содержит входной модуль и выходной модуль. Входной модуль содержит на каждом n-ом входе (N≥n≥2) АФАР соответствующую n-ую группу из последовательно соединенных излучателя (входы модуля и АФАР в целом), малошумящего усилителя, М-канального делителя мощности (М≥2) и параллельно подключенных к нему первых входов М фазовращателей. Вторые входы фазовращателей параллельно подключены к блоку управления для получения определенных фазовых программ. Входной модуль содержит также М лучевых сумматоров. Выход каждого m-го фазовращателя каждой n-ой группы подключен к n-му входу m-го лучевого сумматора (выход каждого из М фазовращателей каждого из N каналов подключен к соответствующему входу соответствующего лучевого сумматора). Выходы сумматоров являются выходами входного модуля. При этом в каждой n-ой группе к выходу упомянутого малошумящего усилителя подключен первый вход понижающего смесителя, второй вход которого соединен с гетеродином, а выход через компенсирующий усилитель подключен к входу М-канального делителя мощности. Понижающий конвектор (из понижающего смесителя и гетеродина) позволяет далее использовать известные схемы обработки сигнала.
К m-ым выходам входного модуля подключены соответствующие m-ые входы выходного модуля для доставки принимаемого сигнала потребителям через М его выходов. Выходной модуль выполняет доставку принимаемого АФАР сигнала к аппаратуре потребителя, а также, например, преобразование в соответствии с требуемыми характеристиками (усиление до определенного уровня, подавление паразитных каналов приема и т.п.).
Предпочтительно, чтобы выходной модуль содержал по М узкополосных лучевых полосно-пропускающих фильтра и выходных усилителя. При этом m-ый вход выходного модуля соединен с его m-ым выходом через последовательно соединенные m-ый лучевой полосно-пропускающий фильтр и m-ый выходной усилитель.
Предпочтительно, чтобы выходной модуль содержал М электронно-оптических преобразователей (ЭОП), вход m-ого ЭОП подключен к соответствующему входу выходного модуля, а выход - к соответствующему входу оптического сумматора (ОС). Выход ОС соединен с входом оптического делителя (ОД). К выходу ОД параллельно подключены М селективных фотоприемников (СФП). Выход каждого m-го СФП соединен с соответствующим выходом АФАР через соответствующий выходной усилитель (У) для передачи принятой информации m-му потребителю. При этом сформированные в фазовращателях и лучевых сумматорах М суммарных аналоговых (электрических) сигналов преобразуют в оптические, суммируют все М сигналов, передают суммарный оптический сигнал по ОВК, а перед усилением и передачей потребителю - осуществляют обратное оптоэлектронное преобразование и выделение всех М сформированных аналоговых сигналов. За счет такого построения АФАР достигают увеличения помехозащищенности и устойчивости принимаемого многочастотного аналогового сигнала к электромагнитным помехам при протяженной передаче принимаемого сигнала в АФАР, обеспечения высокой надежности ее работы, а также уменьшения массы и увеличения технологичности сборки изделия.
Предпочтительно, чтобы по меньшей мере один из СФП вышеописанного выходного модуля содержал последовательно соединенные широкополосный фотоприемник (ФП), подключенный к входу СФП, и узкополосный фильтр (Ф), подключенный к выходу СФП.
В качестве ЭОП может быть использован, например, электронно-оптический модулятор, возбуждаемый оптическим лазером определенной длинны волны, например, на основе арсенида галлия или фосфида индия, или же на основе ниобата лития (LiNbO3), который обеспечивает не только уникальное сочетание функциональных характеристик, но и стабильную работу в жестких условиях, в том числе в условиях космического пространства.
Для обратного оптоэлектронного преобразования сигнала и выделения сигнала определенной частоты могут использовать как один селективный фотоприемник на основе фотодиода так и два элемента - широкополосный фотоприемник на основе фотодиода и узкополосный фильтр.
Кроме того, выходной модуль АФАР может быть выполнен по любой другой из известных схем. В том числе:
- выходной модуль АФАР (патент РФ на полезную модель №123586 «Модуль приемной активной фазированной антенной решетки», опубл. 27.12.2012, ФГБО УВПО Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого), к каждому входу которого параллельно подключены соответствующие гиратор, усилитель и детектор. В данном случае М и N совпадают;
- выходной модуль по патенту на изобретение US №6169513 (02.01.2001) «Thinned multiple beam phased array antenna».
Далее состав и работа АФАР будут описаны в обоих предпочтительных вариантах исполнения.
На Фиг. 1 приведена структурная схема приемной многолучевой активной фазированной антенной решетки.
На Фиг. 2 приведена структурная схема выходного блока АФАР для передачи сигнала по оптоволоконным кабелям (ОВК).
Приемная многолучевая активная фазированная антенная решетка (АФАР), изображенная на Фиг. 1, содержит входной модуль 1 с N (N≥2) входами и М (М≥2) выходами, соединенными с соответствующими М входами выходного модуля 2, имеющего М выходов. Входы входного модуля (АФАР в целом) - N излучателей 3 (Изл), к каждому из которых последовательно подключены соответствующие малошумящий усилитель 4 (МШУ), понижающий смеситель 5 (СМ) - через его первый вход и выход, компенсирующий усилитель 6 (КУ) и М-канальный делитель 7 (Д). К второму входу СМ 5 подключен гетеродин 8, в качестве которого в данной реализации технического решения используют синтезатор частоты. К выходу Д 7 подключены первые входы М фазовращателей 9 (ФВ). Выход m-го фазовращателя в описанном n-м канале является m-м выходом n-ой группы (n-ого входного приемного канала). Модуль 1 содержит также М лучевых сумматоров 10 (Σ) с N входами. Каждый выход m-го фазовращателя каждого n-го канала подключен к n-му входу m-го сумматора, выход которого является m-м выходом входного модуля 1. Управление фазовращателями осуществляют блоком управления 11 (БУ) через вторые входы ФВ 9.
К выходам входного модуля 1 подключены соответствующие входы выходного модуля 2, содержащего по М узкополосных лучевых полосно-пропускающих фильтров 12 (ППФ) и выходных усилителей 13 (У). При этом m-ый вход выходного модуля соединен с его m-ым выходом через последовательно соединенные m-ый ППФ 12 и m-ый У 13. Через М выходов модуля (АФАР в целом) осуществляют передачу информации М потребителям.
АФАР начинает функционировать при подаче необходимого напряжения питания на все элементы схемы, требующие питания.
Принимаемый сигнал поступает одновременно на N Изл 3 и далее на МШУ 4. Полоса пропускания малошумящего усилителя является суммой полос всех лучей и определяется соотношением
ΔF- полоса пропускания входного приемного тракта
М - число лучей
Δf - полоса каждого луча.
То есть полоса пропускания МШУ 4 включает частотные диапазоны всех Δf.
Далее принятый сигнал преобразуют в сигнал с более низкой (промежуточной) частотой посредством понижающего конвектора - понижающего смесителя 5 с синтезатором частот 8, на который поступает опорная частота. Сигнал на пониженной частоте усиливают компенсирующим усилителем 6. Далее сигнал делят в Д 7 на М лучей (сигнал в полосе частот Δf) согласно числу выходных приемных каналов в системе - количеству потребителей. Таким образом, после КУ 6 обработку сигнала и дальнейшую доставку его потребителям осуществляют на пониженной частоте. Для того, чтобы АФАР принимала сигналы СВЧ миллиметрового диапазона, необходима замена МШУ 4, и дополнительная установка СМ 5, Гет 8 и КУ 6 во входном модуле, что существенно экономичнее замены всех дорогостоящих M×N ФВ 9 и дополнительных пассивных элементов.
Выделенные сигналы поступают на первые входы ФВ 9 соответствующей n-й группы. В ФВ 9 всех групп формируют М независимых лучей на прием заданием фазового распределения посредством подачи соответствующих фазовых программ из БУ 11 на все иторые входы M×N фазовращателей 9. Фазовые программы для ФВ 9 могут быть адаптивными. М выходов ФВ 9 являются m-ми выходами n-ой группы.
С выхода каждого m-го фазовращателя каждого n-ой группы электрические (аналоговые) сигналы сформированных лучей поступают на n-й вход m-го Σ 10, где суммируют N аналоговых сигналов m-х лучей, сформированных во входных приемных каналах. Получают m-ый суммарный аналоговый сигнал для m-го выходного приемного канала с фазовой адресацией, предусмотренной фазовыми программами БУ 11. Суммарные аналоговые сигналы с фазовой адресацией передают с m-ых выходов модуля 1 на соответствующие входы модуля 2.
В последнем суммарный сигнал, принадлежащий определенному m-му лучу, выделяют узкополосным ППФ 12 с полосой пропускания луча Δf, передают на У 13 для усиления до требуемого уровня и передают через m-ый выход модуля 2 (АФАР в целом).
Приемная многолучевая активная фазированная антенная решетка (АФАР), изображенная на Фиг. 2, содержит входной модуль 1, выполненный как описано выше, с N (N≥2) входами и М (М≥2) выходами, соединенными с соответствующими М входами выходного модуля 2.
Выходной модуль 2 содержит М электронно-оптических преобразователей 20 (ЭОП). Вход каждого m-го ЭОП 20 подключен к соответствующему входу модуля 2, а выход посредством ОВК соединен с соответствующим входом оптического сумматора 21 (ОС).
Выход ОС 21 соединен по ОВК с входом оптического делителя 22 (ОД).
К выходу ОД 22 подключены М селективных фотоприемников 23 (СФП). В данном варианте исполнения каждый из СФП 23 содержит последовательно соединенные широкополосный фотоприемник 24 (ФП), вход которого является входом СПФ 23, и узкополосный фильтр 25 (Ф). К выходу каждого СФП 23 (в данном варианте - к выходу Ф 25) подключен выходной усилитель 26 (У). Выходы У 26 являются М выходами выходных приемных каналов АФАР для передачи информации М потребителям.
Таким образом, передачу сигнала от ЭОП 20 до СФП 23 осуществляют по ОВК, что дает дополнительный технический результат - существенный выигрыш по массе и устойчивости передачи сигнала при протяженных линиях передачи в АФАР или при удаленном расположении потребителей (устройства обработки принятых в АФАР сигналов).
АФАР начинает функционировать при подаче необходимого напряжения питания на все элементы схемы, требующие питания.
Прием и обработку сигнала в модуле 1 проводят, как описано выше.
Далее каждый из М суммарных сигналов с m-го входа модуля 2 передают на соответствующий ЭОП 20 для преобразования электрического сигнала в оптический. При этом излучаемый в m-ом ЭОП 20 оптический сигнал определенной длины волны модулируют поступающим электрическим сигналом m-го луча. Получают М модулированных оптических выходных приемных сигналов, каждый из которых имеет соответствующую длину волны m (нм) и уровень выходной мощности одного порядка (мВт). Все М выходных приемных сигналов через ОВК передают на ОС 21 для суммирования. Суммарный оптический сигнал передают через ОВК на ОД 22. Далее через выход ОД 22 сигнал по ОВК передают на каждый из М СПФ 23 для обратного выделения выходных приемных сигналов.
В СФП 23 каждого m-го выходного приемного канала проводят обратное оптоэлектронное преобразование сигнала m-го модулированного оптического сигнала и выделение полосы частот Δƒ. В представленном на Фиг. 2 варианте исполнения заявленного изобретения оптический сигнал с выхода ОД 22 поступает на входы всех ФП 24 (входы СФП 23), где проводят демодуляцию оптического сигнала, а затем на Ф 25, где выделяют заданную в системе полосу частот. В результате на выходе каждого m-го Ф 25 (выходы СФП 23) получают электрический m-ый суммарный сигнал m-го выходного приемного канала, полученный ранее в m-ом Σ 10 из принимаемого АФАР информационного сигнала. Выделенный в СФП 23 суммарный сигнал усилителем 26 доводят до требуемого потребителем уровня.
Благодаря преобразованию аналогового выходного приемного сигнала с фазовой адресацией в оптический в каждом m-ом ЭОП 20, суммированию этих оптических сигналов, передаче информации по ОВК, на выходах СПФ 23 после обратного преобразования получают сигналы, сформированные в соответствующих лучевых сумматорах, без потерь и искажений. Вместе с тем, многократно (в М раз) снижается трудоемкость монтажа ОВК между ОС 21 и ОД 22 (лишь один кабель), что значительно снижает затраты.
Несмотря на то, что предлагаемое в качестве изобретения техническое решение приемной многолучевой активной фазированной антенной решетки описано со ссылкой на его конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения.
Например, во входном модуле могут быть введены дополнительные каскады малошумящих усилителей для повышения чувствительности приемного тракта и дополнительные полосно-пропускающие фильтры для повышения помехозащищенности.
Описанное построение приемной многолучевой активной фазированной антенной решетки характеризуется высокой надежностью, устойчивостью принимаемого сигнала, дает существенную экономию по стоимости устройств при приеме сигналов миллиметрового диапазона, что особенно актуально в бортовых космических устройствах и системах спутниковой связи для перспективных частотных диапазонов частот (Ka (27:40 ГГц) и Q (36:46 ГГц)).