РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ДЛЯ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
DISTRIBUTOR FOR PHASED ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в волноводной СВЧ антенной технике в составе распределительных систем для фазированных антенных решеток (ФАР).
Известен «Главный распределитель для малоразмерной ФАР с оптимизированными характеристиками излучения», «Антенны», вып. 2(93), 2005 г, авт. Позднякова Р.Д., Ястребов Б.П., Епишкина В.Н. и др., в котором приведено схемное решение по реализации способа одновременного формирования оптимальных амплитудных распределений по суммарному и разностному каналам. Недостатком приведенного технического решения является то, что формирование оптимального амплитудного распределения по разностному каналу является «зависимым» и определяется совокупностью амплитудно-фазовых характеристик двух, встроенных одна в другую, распределительных систем, объединенных элементами связи и требующих взаимной фазировки, что, кроме всего, приводит и к существенным конструктивным усложнениям.
Известна статья «Beamformer Architectures for Active Phased-Array Radar Antennas», IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol.47, №3, March 1999, авт. Ashor K. Agrawal and Eric L. HoIzman, в которой обсуждается ряд вариантов построения диаграммообразующих схем для пассивных и активных ФАР. Основным элементом для устройств распределения и суммирования СВЧ-сигналов выбран гибридный элемент (балансный мост). Применение такого элемента в волноводных вариантах схем, характерных для пассивных ФАР, приводит к существенному усложнению конструкции, увеличению габаритов и массы, что зачастую неприемлемо. Применение микрополосковых вариантов таких схем приводит к увеличению вносимых потерь на 5-6 дБ по сравнению с волноводными.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является «Фазированная антенная решетка», патент на изобретение №2297699, авт. Синани А.И., Митин В.А., Позднякова Р.Д., Винярская Н.А. и др., в которой применен главный распределитель, состоящий из СВЧ-сумматора, четырех основных линеек направленных ответвителей, суммирующего устройства, четырех дополнительных линеек направленных ответвителей, 4К фазирующих секций, соединяющих между собой основные линейки направленных ответвителей и дополнительные линейки направленных ответвителей, направленного ответвителя с фазирующими секциями, соединяющими сумматор и суммирующее устройство. При этом формируется оптимальное амплитудное распределение как по суммарному, так и по разностному каналам.
Недостатком приводимого технического решения является то, что форма амплитудного распределения для разностного канала определяется совокупностью амплитудно-фазовых характеристик основных и дополнительных линеек направленных ответвителей, а также характеристик направленного ответвителя и фазирующих секций. В результате столь сложное формирование амплитудного распределения приводит к уменьшению рабочего диапазона частот, усложнению конструкции, увеличению габаритов и массы.
Техническая сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что распределитель для фазированной антенной решетки состоит из СВЧ-сумматора, имеющего один суммарный и два разностных входа и четыре выхода, каждый из которых соединен соответственно с входом одной из четырех линеек направленных ответвителей (основных), имеющих по 2К выходов каждая и формирующих оптимальное амплитудное распределение для суммарной диаграммы направленности. При этом в одни 4К выходов всех основных линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия ответвляется, а в другие 4К выходов всех основных линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия не поступает. Кроме того, предлагаемое устройство состоит из суммирующего устройства с одним разностным входом и четырьмя выходами, каждый из которых соединен соответственно со входом одной из четырех дополнительных линеек направленных ответвителей, имеющих 2К выходов каждая. При этом в одни 4К выходов всех дополнительных линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия ответвляется, а в другие 4К выходов всех дополнительных линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия не поступает. В распределитель для фазированной антенной решетки также входят 4К фазирующих секции и 8К согласованных нагрузок.
Новым в предлагаемом распределителе для фазированной антенной решетки является выбор величин переходных ослаблений направленных ответвителей дополнительных линеек направленных ответвителей из условия формирования на их выходах амплитудного распределения, соответствующего разностной диаграмме направленности с пониженным уровнем боковых лепестков в плоскости расположения распределителя, а также попарное подключение выходов основных и дополнительных линеек направленных ответвителей, в которые СВЧ-энергия ответвляется, ко входам 4К гибридных устройств. Причем во все цепи подключения выходов основных линеек к гибридным устройствам включены 4К циркуляторов, а ко всем выходам основных и дополнительных линеек направленных ответвителей, в которые СВЧ-энергия не поступает, присоединены 8К согласованных нагрузок, причем во всех гибридных устройствах к одному из двух выходов присоединены согласованные нагрузки, а к другим присоединены 4К циркуляторов, при этом вход каждого из них является одним из выходов распределителя, а другие входы этих циркуляторов соединены с входами соответствующих циркуляторов, установленных на входе этих же гибридных устройств, таким образом, что сигналы, поступающие от основных линеек направленных ответвителей, полностью передаются в выходные каналы распределителя. Сигналы, поступающие от выходных каналов распределителя, сначала поступают в гибридное устройство, а затем в основные и дополнительные линейки направленных ответвителей, при этом разностная диаграмма направленности в плоскости расположения распределителя с пониженным уровнем боковых лепестков формируется по входу суммирующего устройства, а к входу сумматора, обеспечивавшего формирование разностной диаграммы направленности в плоскости расположения распределителя, присоединена согласованная нагрузка, где К - целое число.
Технический результат предлагаемого решения заключается как в обеспечении независимого формирования оптимальных амплитудных распределений раздельно по суммарному и разностному каналам распределителя для ФАР, в расширении рабочего диапазона частот, упрощении конструкции, сокращении габаритных размеров и массы, так и в увеличении коэффициента передачи сигнала в режиме «на передачу» при использовании гибридных устройств для разделения сигналов по суммарному и разностному каналам. Расширение рабочего диапазона частот получено за счет применения независимого формирования оптимальных амплитудных распределений по суммарному и разностному каналам, обеспеченного введением гибридных устройств, разделяющих распределители по функциональному назначению и, соответственно, уменьшающих их взаимное влияние и связанное с этим искажение амплитудно-фазовых характеристик в диапазоне частот.
На фиг.1 приведена функциональная схема распределителя для фазированной антенной решетки.
На фиг.2 приведены расчетные разностные диаграммы направленности (ДН) в плоскости расположения распределителя для ФАР в сравнении с прототипом в широком диапазоне частот, при этом по оси ординат отложен уровень сигнала по направлениям распространения сигнала, а по оси абсцисс - угловое положение направления распространения сигнала.
Распределитель для ФАР состоит из четырех основных линеек 1 направленных ответвителей (НО) и четырех дополнительных линеек 2 НО, каждая из которых, в свою очередь, состоит из К направленных ответвителей соответственно 5 и 6 и К согласованных нагрузок 9. В распределитель для ФАР также входят 4К гибридных устройств 7, 4К циркуляторов 3 на входе гибридного устройства, 4К циркуляторов 4 на выходе гибридного устройства, 4К фазирующих секций 8, 4К нагрузок гибридных устройств 10, а также СВЧ-сумматор 12 с нагрузкой 11 и суммирующее устройство 13.
Выходы основных линеек 1 НО и дополнительных линеек 2 НО, в которые СВЧ-энергия ответвляется, попарно подключены ко входам гибридных устройств 7, причем во все цепи подключения выходов основных линеек 1 НО к гибридным устройствам 7 включены циркуляторы 3, а ко всем выходам основных линеек 1 НО и дополнительных линеек 2 НО, в которые СВЧ-энергия не поступает, присоединены 8К согласованных нагрузок 9. В каждом гибридном устройстве 7 к одному из двух выходов присоединена согласованная нагрузка 10, а к другому присоединен циркулятор 4, один из входов которого является одним из выходов распределителя для ФАР, а другой вход этого циркулятора соединен с входом циркулятора 3, установленного на входе этого же гибридного устройства. При этом входом, по которому формируется ДН с пониженным уровнем боковых лепестков, становится вход суммирующего устройства 13, а к входу СВЧ-сумматора 12, по которому ранее формировалась разностная ДН в плоскости расположения распределителя, присоединена согласованная нагрузка 11.
Предлагаемый распределитель для ФАР работает следующим образом. При подаче сигнала на Вх.Σ СВЧ-сумматора 12 происходит распределение его по входам основных линеек 1 НО и затем в каждой из этих линеек НО на ее выходах формируется амплитудное распределение оптимальное для суммарной ДН, определяемое выбором величин переходных ослаблений НО 4. Далее сигналы с выходов основных линеек 1 НО поступают на входы циркуляторов 3 и, пройдя через них, передаются непосредственно на входы циркуляторов 4 и, пройдя через них, поступают в выходные каналы распределителя для ФАР.
При работе «на прием» сигналы, пришедшие от раскрыва антенны на выходы распределителя для ФАР, сначала поступают в циркуляторы 4 и, пройдя через них, попадают в гибридные устройства 7, где происходит разделение их на две части. Далее одна часть поступает на выходы основных линеек 1 НО с последующим суммированием их в этих линейках, имеющих амплитудные распределения, оптимальные для формирования суммарной ДН, а другая часть поступает на выходы дополнительных линеек 2 НО с последующим суммированием их в этих линейках, имеющих амплитудные распределения, оптимальные для формирования разностной ДН в плоскости расположения распределителя для ФАР. Далее сигналы от входов основных линеек 1 НО поступают в СВЧ-сумматор 12 и формируют на его входах сигналы, соответствующие суммарной и одной разностной ДН (для плоскости, перпендикулярной плоскости расположения распределителя для ФАР), а сигналы от входов дополнительных линеек 2 НО поступают в суммирующее устройство 13 и формируют на его входе сигнал, соответствующий разностной ДН с пониженным уровнем боковых лепестков в плоскости расположения распределителя для ФАР.
Таким образом, технико-экономические преимущества предлагаемого решения, по сравнению с прототипом, заключаются в расширении рабочего диапазона частот в части формирования устойчивой разностной ДН с низким уровнем боковых лепестков в плоскости расположения распределителя для ФАР, упрощении конструкции и уменьшении продольного размера и массы диаграммообразующего устройства.
Результаты практической реализации предложенного технического решения не вызывают сомнения.
В предлагаемом распределителе для ФАР следует ожидать:
1. По данным математического моделирования рабочий диапазон частот, в котором обеспечивается формирование устойчивой разностной ДН с низким уровнем боковых лепестков, расширен на 30÷40%.
2. Продольный габаритный размер диаграммообразующего устройства для ФАР уменьшен на 20%.