ДВУМЕРНАЯ МОНОИМПУЛЬСНАЯ ФАР С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ЛУЧОМ
TWO-DIMENSIONAL ELECTRONICALLY-CONTROLLED BEAM MONOPULSE PHASED ANTENNA ARRAY

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в СВЧ антенной технике в составе радиолокационных систем и комплексов.
Известна антенная система, содержащая двумерную моноимпульсную фазированную решетку, у которой волноводный распределитель выполнен из М линейных распределителей 1-го типа и четырех линейных распределителей второго типа, содержащих волноводные направленные ответвители, объединенные общими магистральными волноводами, при этом М линейных распределителей 1-го типа сгруппированы по четвертям и построчно заполняют весь раскрыв, а четыре линейных распределителя второго типа расположены ортогонально М линейным распределителям первого типа и запитывают каждым из своих волноводных выходов магистральные волноводы линейных распределителей первого типа [RU 2256263C1, H01Q 3/28, опубл. 10.07.2005].
Недостатками указанной фазированной антенной решетки являются невозможность формирования многих лучей на прием и передачу, малая мгновенная полоса пропускания и невысокая разрешающая способность, определяемая отсутствием возможности работы антенны в режимах интерферометра и цифрового диаграммообразования «на прием».
Известна бортовая антенна с электронным управлением лучом с волноводной распределительной системой [Волноводная распределительная система бортовой антенны с электронным управлением лучом. Авт. А.И. Синани, Р.Д. Позднякова, В.А. Митин, журнал "Антенны", вып.6 (61), 2002 г.], в которой волноводная распределительная система (ВРС) по существу является диаграммообразующей структурой ФАР, обеспечивающей суммарно-разностную обработку сигналов. В этом варианте антенны ВРС состоит из четырех строчно-столбцовых делителей, каждый из которых разветвляет СВЧ-энергию в одном из квадрантов апертуры, для чего используется один распределитель - "столбец" и n линеек "строк", а также СВЧ-сумматор, обеспечивающий формирование суммарно-разностных диаграмм направленности (ДН).
Недостатками этого технического решения являются малая разрешающая способность, невозможность формирования многих лучей на прием и передачу и малая мгновенная полоса пропускания.
Известен фазовый способ управления режимами работы ФАР, основанный на распределении СВЧ-сигналов по квадрантам апертуры с последующим разведением их, используя распределительную систему, по отдельным излучающим элементам в режиме передачи, а в режиме приема отраженных сигналов - суммировании их в отдельных квадрантах с последующей подачей результирующих сигналов от квадрантов на СВЧ-сумматор, при этом на входе каждого квадранта в режиме передачи сигналы разделяются на две части в балансном мосте с возможностью изменения фазы в одной из частей на 180° при обеспечении заданного фазового распределения в апертуре ФАР, причем в режиме приема просуммированные в распределительной системе сигналы от апертуры поступают на то или иное балансное плечо моста в зависимости от того, изменена или не изменена на 180° фаза в части квадранта [RU №2475903 C1, H01Q 21/00, опубл. 20.02.2013 г.].
Недостатком приводимого способа является то, что предлагаемое решение обеспечивает «независимую» работу квадрантов, а не многих частей (подрешеток) апертуры.
Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является двумерная моноимпульсная ФАР с электронным управлением лучом, содержащая панели излучателей, блоки фазовращателей и волноводную распределительную систему (ВРС), состоящую из строчно-столбцовых делителей, каждый из которых разветвляет СВЧ-энергию в одном из квадрантов апертуры, а также СВЧ-сумматора, запитывающего эти делители и обеспечивающего формирование суммарно-разностных диаграмм направленности (ДН). Каждый квадрант апертуры ФАР разбит на четыре части и в каждой этой части в ВРС выполнены один распределитель-столбец и распределители-строки, обеспечивающие запитку элементов раскрыва своей части без нарушения регулярности структуры всей ФАР, причем запитка четырех распределителей-столбцов в каждом квадранте осуществлена через управляемые линии задержки отдельным суммирующим устройством, выполненным из трех балансных восьмиполюсников, соединенных таким образом, что при подаче сигнала от СВЧ-сумматора на входы суммирующих устройств происходит распределение его между четырьмя распределителями-столбцами во всех частях в квадрантах апертуры, при этом три выхода-входа суммирующих устройств в каждом квадранте снабжены переключателями, обеспечивающими подключение согласованных нагрузок и переключение режимов работы [RU 113425U1, H01Q 25/00, опубл. 10.02.2012 г.].
Недостатками приведенного технического решения являются трудности в реализации режимов цифрового диаграммообразования «на прием».
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что двумерная моноимпульсная ФАР с электронным управлением лучом содержит панели излучателей, блоки фазовращателей и волноводную распределительную систему, состоящую из строчно-столбцовых делителей, каждый из которых разветвляет СВЧ-энергию в одном из квадрантов апертуры, а также СВЧ-сумматора, обеспечивающего формирование суммарно-разностных ДН, при этом каждый квадрант апертуры ФАР разбит на 4 части и в каждой этой части в ВРС выполнены распределитель-столбец и распределители-строки, обеспечивающие запитку отдельных излучающих элементов апертуры своей части без нарушения регулярности структуры всей ФАР
n
k
Новыми признаками заявленного технического решения является то, что каждый квадрант апертуры дополнительно разбит на 2 частей, где n=1, 2, 3…, причем распределители-столбцы в каждом квадранте в соседних частях объединены в пары, запитываемые вновь вводимыми балансными мостами и формирующие совместно с распределителями-строками в раскрыве ФАР подрешетки, количеством, равным числу пар, при этом каждый вновь вводимый балансный мост, запитывающий пару распределителей-столбцов, по одному из входов через суммирующее устройство, объединяющих аналогичные входы балансных мостов в каждом квадранте, соединен с СВЧ-сумматором, а по другому входу формирует независимый вход каждой подрешетки. При этом каждое суммирующее устройство выполнено из 2-1, где к=2, 3, 4, балансных восьмиполюсников, включенных по параллельной схеме по одному из входов, при этом по другому входу в каждом балансном восьмиполюснике образован независимый вход части квадранта, объединяющей несколько подрешеток.
n
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение мгновенной полосы частот за счет частичной замены последовательной схемы распределительной системы на параллельную, повышение разрешающей способности ФАР за счет обеспечения возможности работы ФАР в независимом режиме с отдельными ее частями как «на прием», так и на передачу, а также дает возможность формирования нескольких независимо управляемых ДН (одновременно до 8+2·2, где n=1, 2, 3…).
Наличие таких возможностей позволяет реализовать режим цифрого диаграммообразования «на прием», т.е. работу в составе одной антенны нескольких независимых антенн меньшего размера с разнесенными фазовыми центрами.
n
Это достигнуто за счет создания в каждом квадранте пар распределителей-столбцов, объединенных балансным мостом и формирующих совместно с распределителями строками в раскрыве ФАР 8+2·2, где n=1, 2, 3… подрешеток, и введения в каждом квадранте дополнительных балансных мостов, которые обеспечивают как запитку пар распределителей в квадрантах, так и создание независимых входов-выходов отдельных квадрантов и подрешеток апертуры, развязанных с другими аналогичными подрешетками.
На фиг.1 приведен пример функциональной схемы двумерной моноимпульсной ФАР с электронным управлением лучом, состоящей из 16 подрешеток.
Двумерная моноимпульсная ФАР с электронным управлением лучом состоит из волноводной распределительной системы, в свою очередь состоящей из СВЧ-сумматора 1, суммирующих устройств 2, балансных мостов 3, объединяющих пары, распределителей-столбцов 4, распределителей-строк 5, а также блоков фазовращателей 6, панелей излучателей 7, переключателей 8 и согласованных нагрузок 9.
Панели излучателей 7 поканально соединены с выходными каналами блоков фазовращателей 6, которые в каждой части квадрантов апертуры поканально соединены с выходными каналами распределителей-строк 5. В свою очередь, входные каналы распределителей-строк 5 соединены с соответствующими выходными каналами распределителей-стролбцов 4 в своей части квадранта апертуры, при этом входные каналы распределителей-столбцов 4 в каждом квадранте соединены с выходными каналами балансных мостов 3, объединяющих пары распределителей-столбцов 4, при этом входы этих мостов соединены с выходами суммирующих устройств 2 в каждом квадранте, а входы систем балансных мостов 2 в каждом квадранте апертуры соединены с выходами СВЧ-сумматора 1. Входы суммирующих устройств 2 и входы балансных мостов 3, объединяющих пары распределителей-столбцов 4, в которые направленно не ответвляется СВЧ-энергия при работе ФАР от СВЧ-сумматора 1, соединены с переключателями 8, при этом одно из плеч каждого переключателя 8 соединено с согласованной нагрузкой 9 (при работе антенны от СВЧ-сумматора), а другое формирует вход подрешетки ФАР, части квадранта или квадранта в целом, при независимой работе этих фрагментов ФАР.
Предлагаемая двумерная моноимпульсная ФАР с электронным управлением лучом работает следующим образом. При подаче СВЧ-сигнала на суммарный вход СВЧ-сумматора 1 происходит распределение его через элементы сумматора к суммирующим устройствам 2 и далее через балансные мосты 3, объединяющие пары распределителей-столбцов 4, распределители-столбцы 4 и распределители-строки 5 по входным каналам блоков фазовращателей 6 и далее по каналам панелей излучателей 7 в каждой части квадрантов апертуры ФАР. При этом определенный выбор величин переходных ослаблений отдельных каналов распределителей-столбцов 4 и распределителей-строк 5 обеспечивает формирование заданного амплитудного распределения, а электрически управляемые блоки фазовращателей 6 обеспечат формирование заданных фазовых распределений и управление им в апертуре ФАР. В этом варианте возможно как формирование суммарно-разностных характеристик при работе с полной апертурой ФАР, так и реализация режима цифрового диаграммообразования «на прием», при этом необходимо изменять на 180° фазу в одной из двух частей каждой подрешетки в режиме «на прием», а переключатели 8 обеспечивают подключение согласованных нагрузок 9 и переключение режимов работы.
1
16
При подаче СВЧ-сигнала на один из независимых входов «Bx.¼», «Bx.⅛», «Bx./» развязанных с другими частями антенны, происходит аналогичное описанному выше распределение сигнала по излучателям апертуры, но только в тех частях квадранта или в целом квадранте, с которым и связан конкретный вход. При этом возможны как реализация режима интерферометра, т.е. независимой работы фрагментов апертуры с разнесенными фазовыми центрами с последующей обработкой сигналов от фрагментов, что в результате увеличивает разрешающую способность станции, так и формирование независимо управляемых лучей от квадрантов антенны и их частей, а в режиме «на прием» и реализация режима цифрового диаграммообразования.
n
Таким образом, технико-экономические преимущества предложенного технического решения по сравнению с прототипом заключаются в расширении мгновенной полосы, увеличении разрешающей способности ФАР при реализации режимов интерферометра или цифрового диаграммообразования, а также в возможности формирования одновременно до 8+2·2 независимо управляемых лучей.
Реализация предлагаемого технического решения не вызывает сомнения, разработаны, изготовлены и прошли испытания основные фрагменты распределительной системы: СВЧ-сумматор с системами балансных мостов, распределитель-столбец и распределитель-строка. Испытания подтвердили возможность достижения заявляемого технического эффекта.
Предлагаемая двумерная моноимпульсная ФАР с электронным управлением лучом позволяет:
1. Обеспечить расширение мгновенной полосы за счет применения более разветвленной, параллельной схемы распределения СВЧ-сигнала.
2. Увеличить разрешающую способность станции за счет обеспечения возможности независимой работы отдельных фрагментов антенны с разнесенными фазовыми центрами.
3. Обеспечить возможность цифрового диаграммообразования в режиме «на прием».
n
4. Формировать одновременно до 8+2·2 независимо управляемых лучей.