ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА
TRANSCEIVING ANTENNA SYSTEM

Предлагаемое в качестве изобретения техническое решение относится к антенной технике и может быть использовано в системах спутниковой связи СВЧ-диапазона, требующих обеспечения высокой оперативности доставки информации, например, для организации связи наземных или околоземных объектов с земными станциями.
Известен способ установления связи с низкоорбитальными космическими аппаратами в космической системе ретрансляции (патент РФ №2412547, МПК Н04В 7/185, г. Железногорск, ОАО "ИНФОРМАЦИОННЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ" им. академика М.Ф. Решетнева", опубл. 20.02.2011), где через широкий фиксированный антенный луч с низкой энергетикой принимают сигнал-заявку на связь, а передачу сигнала-разрешения на связь и собственно связь осуществляют через узкие управляемые антенные лучи с высокой энергетикой. Причем сигнал-заявку принимают в виде широкого приемного луча, сформированного для шроконаправленной антенны (ШНА), сигнал-разрешение передают в виде управляемого узкого антенного луча с высокой энергетикой, сформированного для остронаправленной антенны (ОНА), а информационные сигналы для связи передают/принимают в виде управляемых узких антенных лучей для ОНА и антенны фидерной линии (АФЛ). Недостатком описанной системы является ограниченное количество обслуживаемых абонентов, использование нескольких антенн различного типа для приема сигналов разного типа для приема луче с разной энергетикой, а также необходимость в большом значении общего усиления антенн, установленных на высокоорбитальном космическом аппарате.
Под энергетикой приемного луча понимают добротность на прием, равную отношению общего усиления антенны и коэффициента шума (шумовой температуры). Под энергетикой передающего луча понимают эффективно излучаемую мощность (ЭИМ), равную произведению общей излучаемой мощности антенны и общего усиления антенны.
Известна приемная многолучевая активная фазированная антенная решетка (далее АФАР) по патенту РФ №2352034 (МКИ H01Q 3/36, ГУП г. Москвы НПЦ "СПУРТ", опубл. 10.04.2009). Входной модуль АФАР содержит на каждом из N (N>2) входов последовательные n-ый приемный канал (из излучателя и малошумящего усилителя), М-канальный делитель мощности (М≥2), а также параллельно подключенные к нему сигнальными входами М фазовращателей, параллельно соединенные кроме того входами управления с блоком управления фазовращателями, и М лучевых сумматоров для формирования М принимаемых лучей одного типа. Данное решение значительно увеличивает количество обслуживаемых абонентов на приме за счет формирования нескольких независимых приемных лучей с одинаковой энергетикой, что достигается подачей фазовых программ на фазовращатели с общего блока управления. Однако, диаграмма направленности отдельных излучателей определяет энергетический потенциал на прием в отдельных лучах, а не во всей зоне обслуживания, и не обеспечивает сплошной зоны покрытия АФАР. Кроме того, рассматривается только приемная АФАР.
Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является приемопередающая антенная система с управляемой диаграммой направленности по патенту РФ №2458437 (МКИ H01Q 3/30, ГУП г. Москвы НПЦ «СПУРТ», опубл. 10.08.2012). Система содержит приемный тракт, сигнальным входом которого является антенная решетка из N (N>2) излучателей, являющихся входами соответствующих п-ых приемных каналов (выполненных на малошумящих усилителях, далее - МШУ), передающий тракт, антенным выходом которого является антенная решетка из L (L≥2) излучателей, являющихся входами соответствующих 1-ых передающих каналов (также выполненных на МШУ), а также фазовращатели приемного тракта (Фпр), входы управления которых параллельно подключены к входу управления приемного тракта, соединенного с выходом одного блока управления фазовращателями (БУФ1), фазовращатели передающего тракта (Фпер), входы управления которых параллельно подключены к входу управления передающего тракта, и приемопередающее устройство (ППУ) сигналов от приемного тракта на передающего тракта, При этом все Фпер также обслуживает БУФ1, передающий фазовую программу и на прием и на передачу, а приемный и передающий тракты предназначены для формирования лишь одного луча на прием и одного луча на передачу. Система малоэффективна, значительно сужает зону обслуживания в каждый момент времени и не позволяет обеспечить оперативную связь с абонентскими стациями во всей обслуживаемой зоне.
Задачей предлагаемого в качестве изобретения технического решения является создание приемопередающей антенной системы, позволяющей значительно увеличить число обслуживаемых абонентов и повысить оперативность связи при ограниченном частотном ресурсе.
Задача решается за счет использования в приемном и передающем трактах соответственно приемной и передающей многолучевых активных фазированных антенных решеток (АФАР), а также выполнения приемной АФАР с возможностью формирования приемных лучей двух типов: широконаправленных низкоэнергетических лучей для приема сигналов-заявок малого объема от активных абонентов и узконаправленных высокоэнергетических рабочих лучей для приема информационных сигналов большого объема, что достигается за счет введения в определенные приемные каналы приемного тракта дополнительных регулируемых фазовращателей для приема широконаправленного приемного луча и формирования его в дополнительном сумматоре приемного тракта, а также за счет раздельного управления фазовращателями приемного и передающего тракта (ускорение работы системы).
При этом приемопередающая антенная система (далее - система) содержит приемный тракт, сигнальный вход которого - антенная решетка из N (N>2) излучателей, являющихся входами соответствующих n-ых приемных каналов, передающий тракт, сигнальным выходом которого является антенная решетка из L (L≥2) излучателей, являющихся выходами соответствующих 1-ых передающих каналов. Система содержит также фазовращатели приемного тракта (Фпр), входы управления которых параллельно подключены к входу управления приемного тракта, соединенного с выходом одного блока управления фазовращателями (БУФ1), и фазовращатели передающего тракта (Фпер), входы управления которых параллельно подключены к входу управления передающего тракта, а также приемопередающее устройство (ППУ) сигналов от выхода приемного тракта на вход передающего тракта. Причем ППУ является многоканальным, а система дополнительно содержит управляющее устройство (УУ), первый вход/выход которого соединен с входом/выходом ППУ, второй вход/выход соединен с входом/выходом БУФ1, а третий - с входом/выходом второго блока управления фазовращателями (БУФ2), выход которого подключен к входу управления передающего тракта. От БУФ1 и БУФ2 передают фазовые программы, управляющие каждым из фазовращателей соответствующего тракта. К выходу каждого из N приемных каналов подключен вход соответствующего n-ого многоканального делителя приемного тракта (Дпр), к выходу которого подключены сигнальные входы М (М≥2) параллельных фазовращателей приемного тракта (Фпр) соответствующей n-ой группы, входы управления этих (NxM) Фпр для получения определенных фазовых программ параллельно подключены к выходу БУФ1. Выход каждого m-го Фпр каждой n-ой группы подключен к n-му входу m-го лучевого сумматора приемного тракта (∑пр) для формирования соответствующего m-го приемного луча с информационным сигналом. Кроме того, к выходу каждого из Р (N>P≥2) делителей приемного тракта подключен сигнальный вход дополнительного фазовращателя приемного тракта (Фдоп). Входы управления всех Р штук Фдоп параллельно подключены к входу управления приемного тракта для получения определенной фазовой программы управления от БУФ1 и настройки на прием широкого низкоэнергетического луча с сигналом-заявкой, а выходы - к соответствующим р-ым входам (М+1)-го дополнительного сумматора приемного тракта (∑доп) для формирования приемного луча с сигналом-заявкой и передачи через ППУ на УУ для распознавания и обработки. Выходы всех (М+1) сумматоров приемного тракта (М -∑пр и один ∑доп) образуют многоканальный выход приемного тракта.
Многоканальный вход передающего тракта образуют входы К многоканальных делителей передающего тракта (Дпер), к выходу каждого из которых подключены сигнальные входы L параллельных фазовращателей передающего тракта (Фпер) соответствующей k-ой группы, входы управления этих (KxL) Фпер параллельно подключены к входу управления передающего тракта для получения от БУФ2 определенных фазовых программ управления и настройки на передачу узкого высокоэнергетического луча, а выход каждого 1-го Фпер каждой k-ой группы подключен к k-му входу 1-го лучевого сумматора передающего тракта (∑пер) для формирования передающего луча с сигналом-разрешением или информационным сигналом пользователям. Выход каждого из L ∑пер подключен к входу соответствующего 1-ого передающего канала. Многоканальное ППУ подключено между многоканальным выходом приемного тракта и многоканальным выходом передающего тракта.
Предпочтительно, чтобы система была установлена на низкоорбитальном космическом аппарате, что позволяет получить дополнительную экономию с уменьшением мощности сигнала.
Фиг. - функциональная схема приемопередающей антенной системы.
Приемопередающая антенная система, функциональная схема которой приведена на Фиг., содержит приемный тракт 1, многоканальный выход которого через многоканальное приемопередающее устройство 2 (ППУ) подключен к многоканальному входу передающего тракта 3, а также управляющее устройство 4 (УУ), первый вход/выход (Вх/Вых1) которого соединен с входом/выходом ППУ 2.
Сигнальный вход приемного тракта 1 - антенная решетка из N (N>2) излучателей 5, к которым подключены соответствующие малошумящие усилители 6 (МШУ). В данной реализации изобретения каждая n-ая пара из ИЗ 5 и МШУ 6 составляют соответствующий n-ый приемный канал, выход которого соединен с входом соответствующего n-ого многоканального делителя приемного тракта 7 (Дпр), к выходу которого параллельно подключены сигнальные входы соответствующей n-ой группы из М фазовращателей приемного тракта 8 (Фпр). Выход каждого m-го Фпр каждой n-ой группы подключен к n-му входу m-го лучевого сумматора приемного тракта 9 (∑пр). Кроме того, к выходу каждого из Р (N>P>2) делителей Дпр 7 подключен сигнальный вход (М+1)-го -дополнительного фазовращателя приемного тракта 10 (Фдоп), выход каждого из этих Фдоп 10 подключен к соответствующим р-ым входам (М+1)-го - дополнительного сумматора приемного тракта 11 (∑доп). Выход каждого из сумматоров (∑пр и ∑доп) подключен к многоканальному выходу приемного тракта (показано условно). Входы управления Фпр 8 и Р Фдоп 10 (всего (NxM+P) параллельно подключены к входу управления приемного тракта, подключенного к выходу одного блока управления фазовращателями 12 (БУФ1), вход/выход которого соединен с вторым входом/выходом (Вх/Вых2) УУ 4.
К многоканальному входу передающего тракта подключен вход (показано условно) каждого из К многоканальных делителей передающего тракта 15 (Дпер). К выходу каждого из Дпер 15 подключены сигнальные входы соответствующей k-ой группы из L (L≥2) параллельных фазовращателей передающего тракта 16 (Фпер). Выход каждого 1-го Фпер каждой k-ой группы подключен к k-му входу 1-го лучевого сумматора передающего тракта 17 (∑пер), выход которого подключен к входу соответствующего 1-го передающего канала, каждый из которых в данной реализации изобретения включает последовательно соединенные усилитель мощности 18 (УМ) и излучатель 19 (ИЗ). L излучателей 19 (выходов передающих каналов) образуют антенную решетку - сигнальный выход передающего тракта. Кроме того, входы управления всех (KxL) Фпер 16 параллельно подключены к входу управления передающего тракта, соединенного с выходом второго блока управления фазовращателями 20 (БУФ2), вход/выход которого соединен с третьим входом/выходом (Вх/ВыхЗ) УУ 4.
Система, установленная, например, на низкоорбитальном космическом аппарате (НКА) для дополнительной экономии мощности сигнала, начинает функционировать при подаче необходимого напряжения питания на все элементы схемы, требующие питания.
УУ 4 предназначено для управления системой в целом и функционирует на программируемых устройствах и предназначено для распознавания поступающей информации, формирования команд и программ для синхронизации и управления работой подключенных к нему устройств, в том числе фазовращателями. Система рассчитана на работу в одном частотном диапазоне, что позволяет использовать одинаковые фазовращатели для приема сигналов различного типа (сигналов-заявок, информационных, сигналов-разрешений), упрощает сборку, настройку и управление системой.
Фазовращателями Фпр и Фдоп (Фпер) управляют через их входы управления с помощью БУФ1 (БУФ2). Управление в данной реализации технического решения осуществляют посредством программ управления фазовым распределением фазовращателей (фазовые программы), которые могут быть адаптивными. Определенная часть фазовой программы по заданному идентификатору поступает на соответствующий фазовращатель для его настройки и формирования в нем независимого луча на прием (в Фпр - узких с информационными сигналами, в Фдоп - широкого с сигналами-заявками) либо передачу (Фпер - узких с информационными сигналами или сигналом-разрешением). Возможность изменения настройки фазовращателей позволяет системе поддерживать зону обслуживания пользователей при изменении положения НКА до передачи обслуживания другому НКА.
При включении Системы по заданным и получаемым уставкам работы (положению НКА, количеству и нахождению р-ых Фдоп в n-ых группах и т.п.) из УУ 4 передают команды для передачи соответствующей этим уставкам фазовой программы от БУФ1 12 для настройки Фдоп 10.
На всю апертуру приемной АФАР поступают СВЧ сигналы, которые с ИЗ 5 поступают на МШУ 6, полоса пропускания которых включает частотные диапазоны всех принимаемых сигналов (информационных сигналов и сигналов-заявок) и является полосой пропускания входного приемного тракта. После обработки в приемных каналах выделенные сигналы с требуемыми для дальнейшей работы характеристиками поступают на делители Дпр 7 и далее на сигнальные входы всех фазовращателей приемного тракта. Во всех Фдоп 10, настроенных на выставление широких низкоэнергетических приемных лучей, формируют этот луч и передают на соответствующие р-е входы (m+1)-го ∑доп 11, где суммируют эти Р аналоговых сигналов. Суммарный аналоговый сигнал с фазовой адресацией низкоэнергетического широконаправленного (широкого) приемного луча передают через многоканальный выход приемного тракта в ППУ 2, где его преобразуют (например, фильтруют, усиливают, оцифровывают) для дальнейшей обработки в УУ 4. Таким образом, информация, содержащаяся в сформированном ∑доп 11 широком приемном луче, поступает через Вх/Вых1 УУ 4, где анализируют сигнал на наличие в нем сигналов-заявок. При выявлении таких сигналов по времени их поступления и содержащейся в них информации об абонентах, требующих установления связи посредством приема/передачи информационных сигналов, в УУ 4 формируют очередь из этих абонентов. Согласно очереди при наличии возможности передачи через передающий тракт 3 и приема через приемный тракт 1 информационных сигналов в УУ 4 формируют и передают команды формирования и передачи фазовой программы через БУФ2 для настройки соответствующих 1-ых Фпер 16 на выставление узконаправленных (узких) лучей на передачу к очередным абонентам, а также команды для передачи фазовой программы через БУФ1 для настройки соответствующих m-ых Фпр 8 на выставление узких лучей на прием от этих абонентов. Кроме того, в УУ 4 формируют и передают в ППУ 2 сигнал-разрешение (узконаправленный высокоэнергетический луч) соответствующему абоненту очереди. В ППУ 2 этот сигнал преобразуют для передачи через передающий тракт 3 (проводят ЦАП, усиливают и т.д.) и передают через многоканальный выход на все Дпер 15. Далее от каждого k-го Дпер 15 сигнал-разрешение поступает на входы соответствующей k-ой группы из L Фпер. В 1-ых фазовращателях каждой группы, настроенных на выставление узкого высокой мощности луча на передачу данных, формируют лучи с сигналами-разрешениями, которые суммируют в соответствующем 1-ом сумматоре ∑пер 14. Сформированный таким образом фазированный луч с сигналом-разрешением передают в 1-ый передающий канал, после обработки в котором (в данной реализации - УМ 18) сигнал-разрешение с требуемыми характеристиками через сигнальный выход передающего тракта (1-ый ИЗ 19) передают абоненту, посылавшему сигнал-заявку. После получения сигнала-разрешения этот абонент начинает передачу информационных сигналов по назначению, которые поступают на сигнальный вход приемного тракта системы. После обработки сигнала в приемных каналах и Дпр7 сигнал поступает в фазовращатели 8 и 10. Формирование узконаправленного луча с информационным сигналом от упомянутого абонента проводят в соответствующих m-ых Фпр 8, ранее настроенных на выставление узконаправленных лучей на прием от этих абонентов, лучи суммируют в соответствующем m-ом ∑пр 9, передают в ППУ 2, откуда он поступает после обработки в УУ 4 для определения назначения этой информации (абонента-адресата). В УУ 4 формируют и передают команды формирования и передачи фазовой программы через БУФ2 для перенастройки К штук 1-ых Фпер 16 (например, использованных ранее для передачи сигнала-разрешения) на выставление узконаправленных лучей на передачу узкого информационного сигнала к абоненту-адресату. Возможна также настройка других (например, свободных) Фпер 16 на формирование направленного на абонента-адресата узкого информационного луча. После выставления фазовращателей на передачу принятого в ППУ 2 информационного сигнала абоненту-адресату, его передают через многоканальный вход в передающий тракт и далее, как описано выше, абоненту-адресату. Таким образов, устанавливают связь между абонентами.
В приемной АФАР среди N излучателей 5, участвующих в формировании узких информационных лучей, Р штук участвуют в формировании широкого луча с низкой энергетикой для приема сигналов-заявок малого объема на установление связи от абонентских станций (N значительно больше Р). Число фазовращателей, подключенных к n-му делителю, определяется общим числом лучей, в формировании которых участвует этот делитель (М - для информационных лучей, или (М+1) - для информационных и дополнительного луча-заявки). Переключение лучей приемной АФАР осуществляют посредством изменения фазовых состояний участвующих в их формировании фазовращателей путем выдачи фазовых программ от БУФ1 12 по командам от УУ 4. Использование АФАР позволяет формировать одной приемной апертурой лучи разного типа: широкие приемные лучи для приема сигнала-заявки и узкие информационные лучи с высокой энергетикой. За счет использования АФАР как широкий луч, так и узкие информационные лучи могут быть фиксированными и/или перенацеливаемыми по уставкам работы системы. Использование сигнала-заявки позволяет повысить оперативность работы системы спутниковой связи формированием информационных лучей только в направлении активных абонентов.
Передающая АФАР содержит L излучателей 19 для передачи соответствующих узких информационных лучей. Сигнал на излучатели поступает через передающие каналы после объединения на сумматорах 17 сигналов от соответствующих фазовращателей 16. Число подключенных к k-му делителю 15 фазовращателей определяется общим числом лучей, в формировании которых участвует этот делитель (всего К - информационных лучей и лучей-разрешений). Переключение лучей передающей АФАР осуществляют посредством изменения фазовых состояний участвующих в их формировании фазовращателей путем выдачи фазовых программ от БУФ2 20 по командам от УУ 4.
Несмотря на то, что предлагаемое в качестве изобретения техническое решение приемопередающей антенной системы 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, в других реализациях системы приемные (передающие) каналы для повышения в них качества приема (передачи) кроме излучателя и МШУ могут содержать дополнительные элементы. В том числе, смесители, усилители, полосно-пропускающие фильтры, дополнительные каскады малошумящих усилителей и т.д. (например, по патентам на изобретения №2666577 Акционерного Общества «Ижевский радиозавод», №2352034 НПЦ "СПУРТ" и т.д.).
В приемный тракт для увеличения потенциала системы может быть введено более одного дополнительного сумматора с подключенными к их входам нескольких соответствующих дополнительных фазовращателей, введенных в какие-либо из N групп, для формирования соответствующих дополнительных сигналов-заявок.
Оптимальные энергетические затраты обеспечиваются при установке Системы на НКА. Однако, Система может функционировать и при установке на высокоорбитальных спутниковых аппаратах с достижением заявленного технического результата.
Представленное техническое решение приемопередающей антенной системы характеризуется высокой надежностью, устойчивостью принимаемых сигналов, дает существенную экономию по энергетическим затратам за счет малой энергетики на приеме широкого луча с сигналами-заявками, и стоимости устройств при организации спутниковой связи с применением сигналов миллиметрового диапазона, что актуально для перспективных частотных диапазонов частот (Kа (27:40 ГГц) и Q (36:46 ГГц)).