Диаграммообразующее устройство
BEAMFORMER

Настоящее изобретение относится к области радиотехники и, в частности, к системам для изменения ориентации и (или) формы диаграммы излучения волн, например, в режиме приема.
Изобретение может быть использовано для определения угловой координаты (угла места) различных объектов, например, летательных аппаратов.
Известно диаграммообразующее устройство (Langenwalter, Schevectady, Stevenson. Receiver scanning system, US Patent Office, №3.012.244, 1961. Cl. 343-155), содержащее антенную решетку, смесители, гетеродин, блок смещения частоты, формирователь сетки частот, сумматор, узел обработки сигналов. Недостатком этого устройства является наличие большого числа смесителей, равных числу элементов антенной решетки, смесителей на более низкой промежуточной частоте (ПЧ), автономного генератора для формирователя сетки частот в акустическом диапазоне частот.
Данный недостаток присущ и другому известному устройству для работы в диапазоне СВЧ, взятому авторами за прототип. Это устройство, так же, как и устройство-аналог, содержит антенную решетку, блок смещения частоты, формирователь сетки частот, выходы которого соединены с дополнительными входами узлов блока смещения частоты, гетеродин, сумматор, входы которого подсоединены к выходам узлов блока смещения частоты, узел обработки сигналов, дополнительный вход которого подсоединен к синхронизатору РЛС.
Как и в устройстве-аналоге, выходы антенной решетки соединены с основными входами смесителей, а выходы смесителей соединены со входами узлов блока смещения частоты, выход гетеродина соединен с дополнительными входами смесителей, выход задающего генератора соединен со входом формирователя сетки частот. Формирователь сетки частот выполнен на высокой промежуточной частоте (~50 МГц), для чего в него введены фильтры, а вход соединен с автономным генератором высокой ПЧ, сумматор выполнен на ПЧ и содержит большое количество активных и пассивных элементов. Дополнительный вход узла обработки сигналов соединен с синхронизатором РЛС.
Наличие смесителей СВЧ, равных числу элементов антенной решетки, формирователя сетки частот на ПЧ, сумматора, выполненного на ПЧ, автономного задающего генератора усложняет устройство, снижает его надежность, увеличивает массу и габариты, что является его недостатком (Radford M.F., Greenwood R. A within-pulse scanning height-finder, Inter. Conf. Radar Syst. London, October, 1973, p. 50).
Целью изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. упрощение диаграммообразующего устройства. Согласно изобретению, указанная цель достигается диаграммообразующим устройством, содержащим антенную решетку, блок смещения частоты, формирователь сетки частот, выходы которого соединены с дополнительными входами узлов блока смещения частоты, гетеродин, сумматор, входы которого подсоединены к выходам узлов блока смещения частоты, узел обработки сигналов, дополнительный вход которого подсоединен к синхронизатору РЛС, отличающимся тем, что в него введен дополнительно смеситель, основной вход которого соединен с выходом сумматора, дополнительный вход - с выходом гетеродина, выход - с основным входом узла обработки сигналов, причем вход формирователя сетки частот соединен с упомянутым синхронизатором, а основные входы узлов блока смещения частоты соединены непосредственно с выходами антенной решетки. Наличие смесителя после сумматора дает возможность упростить устройство, так как отпадает необходимость установки смесителя в каждом элементе антенной решетки при смещении частоты принятых сигналов и суммировании непосредственно на СВЧ.
Отсутствие элемента смещения частоты на СВЧ с удовлетворительными техническими характеристиками (в основном малыми потерями сигнала смещенной частоты) затрудняли построение устройства в предлагаемом виде, поэтому смещение частоты в каждом канале решетки осуществлялось на пониженной (промежуточной) частоте после предварительного смесителя СВЧ. Такой смеситель СВЧ устанавливался после каждого приемного элемента, а мощность гетеродина увеличивалась в число раз, равное числу элементов антенной решетки.
Элементом смещения частоты на СВЧ с малыми потерями сигнала смещенной частоты может быть модулятор одной боковой полосы (ОБП) с линейной непрерывно изменяющейся фазовой модуляционной функцией. При практической реализации модулятора ОБП с линейной пилообразной фазовой функцией встречаются трудности, преодоление которых влечет за собой значительное усложнение управляющей схемы. Использование ступенчатой аппроксимации фазовой функции в модуляторе ОБП также позволяет осуществить сдвиг частоты, когда эта функция проходит ступеньками все значения фазы в пределах 2π радиан, на базе дискретного фазовращателя СВЧ. Это в свою очередь приводит к упрощению и устройства управления (формирователя сетки частот) при применении методов цифровой техники.
При смещении частоты в каждом канале антенной решетки непосредственно на СВЧ появляется возможность произвести суммирование сигналов на СВЧ, применив микрополосковые сумматоры, что также упрощает устройство.
На фиг. 1, прилагаемой к настоящей заявке, показана структурная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит антенную решетку 1, блок смещения частоты 2, содержащий узлы 3, формирователь сетки частот 4, сумматор 5, гетеродин 6, смеситель 7, узел обработки сигналов 8, синхронизатор 9.
Узлы 3 блока смещения частоты представляют собой дискретные фазовращатели СВЧ в режиме модуляторов ОБП при управлении от формирователя сетки частот, который является цифровым аналогом синтезатора сетки частот и представлен на фиг. 2, прилагаемой к настоящей заявке.
Формирователь содержит набор делителей частоты 1, коэффициент деления которых выбирается таким, чтобы обеспечить линейный набег частот по выходам делителей.
Выходы делителей соединены со входами счетчиков на 16, обозначенные цифрой 2, которые работают в коде 2-4-8-16. Выходы каждого счетчика на 16 (в нашем случае четырехразрядного) соединены с дополнительными входами узлов (модуляторов ОБП) 3 (см. фиг. 1). Выход счетчика с наименьшей частотой следования импульсной управляющей последовательности (напряжение типа "меандр") подсоединен к одному из входов схемы "И" 5. Второй вход схемы "И" соединен с выходом счетчика через схему задержки 4. Выход схемы "И" соединен со входами установки в "0" всех делителей частоты и всех счетчиков на 16. Все элементы формирователя сетки частот выполнены на элементах цифровой техники.
Сумматор 5 (фиг. 1) представляет собой пассивный СВЧ-сумматор на полосковых линиях, имеющий малые габариты и массу.
с
Диаграммообразующее устройство работает следующим образом. Напряжение электромагнитной волны частоты ω с выхода антенной решетки с фазой, зависящей от угла прихода электромагнитной волны и расстояния между элементами решетки, поступает на соответствующие модуляторы ОБП в каналах решетки. С выхода модуляторов ОБП, напряжения, сдвинутые по частоте на величину Ω, 2Ω, …, NΩ по линейному закону, суммируются. Выходное напряжение СВЧ-сумматора в смесителе взаимодействует с непрерывным сигналом от маломощного гетеродина (теперь он питает только один смеситель). Выходной сигнал ПЧ-смесителя далее поступает в узел обработки сигналов, на дополнительный вход которого поступает сигнал от синхронизатора РЛС. Формирователь сетки частот работает следующим образом. На вход подается сигнал от синхронизатора. Число каналов деления частоты равно половине числа элементов решетки при сдвиге частоты вверх (+Ω) и вниз (-Ω) в модуляторах ОБП относительно середины решетки. При этом линейный набег частот вдоль всей решетки сохраняется. Каждый из каналов деления частоты оканчивается счетчиком на 16, код работы которого позволяет формировать ступенчатую модуляционную фазовую функцию модулятора ОБП со своим временным периодом (своей частотой сдвига).
Схемы 3 и 4 обеспечивают автоматическую привязку (выравнивание по фазе) всех импульсных последовательностей к началу и концу самого длинного периода таким образом, что деление во всех каналах формирователя сетки частот начинается одновременно, а установка в нуль (сброс) проходит по окончании счета в канале с наибольшим коэффициентом деления.
Следовательно, формирование сетки частот осуществляется методами цифровой техники таким образом, что алгоритм работы последнего позволяет перевести фазовращатели в режим модуляторов ОБП с линейным законом изменения частот вдоль решетки, что эквивалентно фазовому сканированию диаграммой направленности с отображением на оси времени угловой координаты цели. При этом на входе узла обработки сигнал с точностью до постоянного множителя равен диаграмме направленности всей решетки, сканирующей с частотой Ω.
Таким образом, сложный гетеродинный метод формирования сетки частот на ПЧ в предлагаемом устройстве реализован на низких частотах методами цифровой техники. Суммирование сигналов на СВЧ при применении полосковых линий передач упрощает схему суммирования, значительно снижается мощность гетеродина, так как в устройстве остается только один смеситель СВЧ. Для формирователя сетки частот не требуется отдельный задающий генератор. В качестве входного сигнала для него может быть использован сигнал синхронизатора РЛС такой частоты, которая обеспечивает необходимую частоту сканирования.
Применение заявляемого устройства дает возможность в (N+2) раз уменьшить число конструктивных элементов, где N - число элементов антенной решетки, в 5 раз уменьшить число схемных элементов, что дает возможность в N раз повысить надежность. Повышение надежности, уменьшение габаритов и веса дает возможность установки устройства на высокоподвижных носителях, в мобильных военных системах в качестве приставки (3-я координата) к двухкоординатным РЛС.