АНТЕННАЯ СИСТЕМА С ИЗМЕНЯЕМЫМИ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ
VARIABLE OPERATING MODE ANTENNA SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнической промышленности и может быть использовано в волноводной СВЧ антенной технике.
Известна «Волноводная распределительная система бортовой антенны с электронным управлением лучом», авт. А.И.Синани, Р.Д.Позднякова, В.А.Митин, «Антенны», вып.6 (61), 2002 г., в которой имеется четыре строчно-столбцовых делителя, 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, запитывающий четыре упомянутых делителя с требуемыми для суммарно-разностных ДН фазовыми соотношениями.
Недостатком приводимого технического решения является отсутствие разделения излучающего раскрыва в каждом квадранте на «независимые» фрагменты с обеспечением возможности работы как со всей апертурой, так и с ее независимыми частями.
Известна высокочастотная распределительная система, рассматриваемая в статье «Основные направления разработки бортовых РЛС с АФАР трехсантиметрового диапазона», авт. Ю.Н.Гуськов, «Радиотехника», №7, 2009 г. Эта распределительная система выполнена на основе радиального волновода, возбуждаемого из центра. Недостатками приводимого технического решения, помимо узкого рабочего диапазона частот, является невозможность формирования «независимых» фрагментов апертуры при обязательном обеспечении работы с полной апертурой.
H
E
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому техническому решению является волноводная распределительная система, используемая в «Антенной системе» (RU №2300833 С1, опубл. 10.06.2007 г., МПК H01Q 21/29), которая содержит моноимпульсную фазированную антенную решетку с электронным управлением лучом, установленную на поворотном устройстве, состоящую из линеек излучателей, соединенных с линейками фазовращателей, волноводного распределителя, выполненного из направленных ответвителей и магистральных волноводов, а также СВЧ-сумматора. Волноводный распределитель состоит из М линейных распределителей первого типа, сгруппированных по четвертям и построчно заполняющих весь раскрыв двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки, и четырех линейных распределителей второго типа, расположенных ортогонально М линейным распределителям первого типа, при этом входы распределителей второго типа соединены с соответствующими выходами СВЧ-сумматора, а каждый из волноводных выходов направленных ответвителей этих распределителей соединен с соответствующим магистральным волноводом линейных распределителей первого типа. Каждый из четырех линейных распределителей второго типа выполнен из двух делителей - основного и дополнительного, при этом основные делители линейного распределителя второго типа и все линейные распределители первого типа выполнены на основе направленных ответвителей с пересекающимися под углом 65-80° каналами таким образом, что волноводные выходы направленных ответвителей основных делителей линейных распределителей второго типа и линейных распределителей первого типа из разных половин раскрыва, соответственно, левой и правой, верхней и нижней, образуют эквидистантную структуру в обеих плоскостях с периодом d≤0,63λ, в плоскости линейного распределителя первого типа и периодом d≤0,49λ, в плоскости линейного распределителя второго типа. При этом в плечах волноводных выходов основных делителей линейных распределителей второго типа, в которые направленно ответвляется СВЧ-энергия, установлены волноводные уголки, обеспечивающие повороты в Н и Е плоскостях и трансформацию сечений волновода, а к каждому из плеч основных делителей линейных распределителей второго типа, в которые не ответвляется СВЧ-энергия, присоединены через волноводные фазосдвигающие секции волноводные выходы направленных ответвителей дополнительных делителей линейных распределителей второго типа, каждый из которых представляет собой ряд направленных ответвителей, объединенных магистральным волноводом, вход которого соединен с соответствующим выходом дополнительного СВЧ-сумматора, в свою очередь, вход этого сумматора, как и вход основного сумматора, на которых формируются разностные характеристики в плоскости расположения распределителя второго типа, соединены через фазосдвигающие секции с выходами волноводного направленного ответвителя, на входе которого формируются разностные характеристики, соответствующие диаграмме направленности с пониженным уровнем боковых лепестков.
Недостаток приводимого технического решения - реализация режимов работы ФАР, использующих только полный раскрыв ФАР.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что антенная система, содержащая двухмерную ФАР с ЭУЛ, состоит из линеек излучателей, соединенных с линейками фазовращателей, волноводного распределителя, выполненного из направленных ответвителей и магистральных волноводов, а также СВЧ-сумматора, причем волноводный распределитель выполнен из линейных распределителей первого типа, сгруппированных по четвертям и построчно заполняющих весь раскрыв двухмерной ФАР, и линейных распределителей второго типа, каждый из которых соединен с соответствующим выходом СВЧ-сумматора и расположен ортогонально линейным распределителям первого типа, запитывая каждым из своих волноводных выходов магистральные волноводы линейных распределителей первого типа.
n
Новым в предлагаемом техническом решении является то, что в состав ФАР введены балансные мосты, формирующие разветвленную схему деления-суммирования, а каждая четверть раскрыва разбита на 2 частей, образующих n подрешеток из пар смежных частей, где n=1, 2, 3…, при этом каждая часть имеет свой распределитель второго типа, запитывающий каждым из своих волноводных выходов магистральные волноводы линейных распределителей первого типа только своей части, причем входы распределителей второго типа смежных пар частей в каждой четверти раскрыва соединены с выходами балансных мостов, балансные плечи которых становятся независимыми входами подрешеток, при этом входы этих мостов для n=1 - непосредственно, а для n>1 - через один или несколько балансных мостов соединены с выходом СВЧ-сумматора.
Технический результат при использовании предлагаемого устройства заключается в расширении функциональных возможностей ФАР за счет возможного использования, помимо полного раскрыва, отдельных подрешеток раскрыва антенны для формирования как независимо управляемых диаграмм направленности (ДН) от каждой из подрешеток, так и синтезирование различного рода ДН посредством обработки сигналов от подрешеток, используя цифровое диаграммообразование (ЦДО). Технический результат обеспечен возможностью изменения фаз сигналов на 180° в частях четвертей ФАР, объединяемых балансными мостами, с использованием имеющихся в каждом канале ФАР фазовращателей.
На Фиг.1 приведена функциональная схема антенной системы с изменяемыми режимами работы.
На Фиг.2 а, б, в приведены расчетные и экспериментальные характеристики антенной системы с изменяемыми режимами работы.
На Фиг.2а представлены характеристики согласования по различным входам устройства в диапазоне частот.
На Фиг.2б представлены характеристики деления сигнала по различным выходам в диапазоне частот.
На Фиг.2в представлены характеристики развязок сигналов по различным входам в диапазоне частот.
Схему построения, состав, работу и реализуемые характеристики предлагаемого устройства рассмотрим на примере устройства, формирующего 16 независимых входов.
го
го
Предлагаемая антенная система с изменяемыми режимами работы, функциониональная схема которой приведена на Фиг.1, состоит из СВЧ-сумматора 1, выполненного на балансных мостах 2÷5, балансных мостов разветвленной схемы деления-суммирования 6, распределителей 1 типа 7 и распределителей 2 типа 8 в каждой части четверти, линеек фазовращателей 9 в каждой части четверти, соединенных поканально с линейками излучателей 10.
го
го
Работу предлагаемого устройства разберем на примере устройства, выполненного на балансных Т-мостах. Принцип работы состоит в следующем: в режиме «на передачу» при работе с полным раскрывом СВЧ-сигнал от входа «Σ» СВЧ-сумматора 1 после двукратного деления на равные части в балансных Т-мостах 2, 4, и 5 поступает на H-входы балансных Т-мостов разветвленной схемы деления-суммирования 6, в конечном счете формируя на Н-выходах этих Т-мостов синфазные и равные по величине СВЧ-сигналы. Далее эти сигналы через распределители 2 типа 8 и 1 типа 7 поступают поканально в линейки фазовращателей 9, получают в них заданный фазовый сдвиг и далее поступают в линейки излучателей 10. При этом на Е-выходах (входах) Т-мостов разветвленной схемы деления-суммирования 6 СВЧ-сигналы отсутствуют.
го
го
При подаче на Е-выходы (входы) Т-мостов разветвленной схемы деления-суммирования 6 СВЧ-сигналов (режим работы «на передачу» от отдельных подрешеток) на выходах этих Т-мостов формируются равные по величине, но противофазные сигналы; далее эти сигналы через распределители 2 типа 8 и 1 типа 7 поступают поканально в линейки фазовращателей 9, получают в них заданный фазовый сдвиг и далее поступают в линейки излучателей 10. Противофазность частей в каждой подрешетке устраняется в раскрыве ФАР при фазировании дополнительной подачей в линейки фазовращателей 9 одной из частей в фазируемой подрешетке фазовой подставки величиной в 180°. При этом СВЧ-сигналы на Н-входы Т-мостов 6 не поступают, тем самым осуществляется развязка входов всего раскрыва и входов подрешеток.
В режиме «на прием» при прохождении сигналов от линеек излучателей 10 к СВЧ-сумматору 1 или к Е-входам Т-мостов разветвленной схемы деления-суммирования 6 («независимым» входам подрешеток) введение фазовых подставок величиной в 180° в линейки фазовращателей 9 одной из частей четверти в каждой подрешетке позволяет переключать режимы работы ФАР, т.е. обеспечивая работу с полным раскрывом или с отдельными подрешетками.
Технико-экономические преимущества от использования предлагаемого технического решения заключаются в обеспечении возможности управления режимами работы ФАР с использованием полного раскрыва или его частей посредством использования штатных фазовращателей, имеющихся в каждом канале и сведенных в блоки по признаку принадлежности к той или иной части четверти раскрыва.
Это в совокупности приводит к расширению функциональных возможностей ФАР как в части обеспечения независимого формирования ДН от отдельных подрешеток раскрыва антенны или от полного раскрыва, так и в части обеспечения формирования различного рода ДН с использованием методов цифрового диаграммообразования.
x
ть
Результаты практической реализации предлагаемого технического решения не вызывают сомнения, разработана эскизная КД на суммирующее устройство, включающая в себя СВЧ-сумматор из 4 Т-мостов и четыре группы из семи балансных Т-мостов каждая, соединенных с выходами СВЧ-сумматора. Такое устройство позволяет реализовать 16 независимых входов при работе «на прием». Контроль электрических характеристик макета такого устройства подтвердил заявленные характеристики.