СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ ФАР
ULTRA-BROADBAND PHASED ANTENNA

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в радиоэлектронных передающих и приемных устройствах различного назначения.
э
0
-1
+1
Известны системы немеханического управления лучом, применимые к линейным и поверхностным антенным системам (АС) [ФАР ТИИР, 1968 г. Т.56, №11 [1], Р.Мейлукс. Теория и техника ФАР (обзор), ТИИЭР. 1982 г, Т.70, №3 [2]], состоящие из большого числа отдельных излучателей (элементов) и формирующие, в совокупности, луч антенной решетки (АР). Диаграмма направленности (ДН) АР представляет собой произведение ДН отдельного элемента F (ширина ДН определяется линейными размерами этого элемента) и ДН структуры элементов, которая образует систему дифракционных максимумов (ДМ) Р, P, P (местоположение которых определяется расстоянием между элементами, а ширина - размером решетчатой структуры, ее апертурой (длиной)).
Такие АР обладают большой гибкостью и быстротой управления положением луча в пространстве. Для управления лучом обычно используется система проходных фазовращателей (ФВ), включенных в фидерную систему, возбуждающую излучатели. В электрических сканирующих системах требуемый сдвиг фаз Δφ каждого ФВ определяется сигналом управления, величина которого должна устанавливаться с учетом индивидуальных характеристик каждого ФВ.
При практической реализации подобных АС приходится сталкиваться с серьезными трудностями, связанными с выбором размеров элементов (обычно половина длины волны - 0.5λ) и, вследствие нестабильности (особенно температурной) и неидентичности характеристик ФВ, больших потерь, нестабильности и неидентичности отражения от ФВ.
Все эти факторы сохраняются и в системах дискретного управления, когда на характеристике ФВ используется только ряд рабочих точек.
В настоящее время не известны электрические фазовращатели, которые бы полностью удовлетворяли всем перечисленным требованиям, а именно:
- идентичность характеристик фазовращателей;
- высокая температурная стабильность;
- малые потери;
- высокая стабильность и идентичность отражений от каждого фазовращателя в составе ФАР.
Эти обстоятельства существенно ограничивают размеры фазовых антенных решеток (ФАР) и значительно ухудшают (на 10-15%) их характеристики (коэффициент полезного действия, шумовую температуру, коэффициент усиления (КУ), разрешающую способность, уровень боковых лепестков (УБЛ), быстродействие), по сравнению с характеристиками аналогичных несканирующих АР.
Другим важным фактором, ограничивающим возможности ФАР, является сложность системы управления, которая возрастает с увеличением количества элементов в составе системы (при этом уменьшается быстродействие (скорость управления)).
Кроме этого, в процессе сканирования луч АР оказывается промодулированным формой ДН одиночного элемента, поэтому результирующая ДН АР на краю сектора характеризуется значительным искажением своей формы, потерей усиления и увеличением УБЛ.
Современное развитие радиотехники, требующее неуклонного увеличения скорости сканирования и увеличения размеров антенны, делает в настоящее время электрическое сканирование наиболее востребованным. Для устранения указанных недостатков ведутся интенсивные исследования, направленные на решение этих проблем. Одним из направлений таких исследований (в отличие от традиционных, малоперспективных) является разработка ФАР с размерами излучателей (элементов) больше длины волны и с использованием электронных фазовращателей (ЭФВ) взамен традиционных (ферритовых, полупроводниковых, газовых, плазменных).
В радиоэлектронике нашли широкое применение устройства, в которых автоматически регулируется скорость квазипериодических процессов с целью достижения определенных фазовых соотношений между ними. Техническое решение такой задачи часто достигается посредством системы фазовой подстройки частоты (ФАПЧ).
В качестве управляемого ФВ в такой ФАР может быть использован ЭФВ, который отличается от известных тем, что он реализован в виде двухуровневой системы ФАПЧ, которая состоит из петли синхронизации и петли фазирования, которые соответствующим образом подключены ко входам многоуровневых элементов и обеспечивают их возбуждение с требуемыми фазовыми сдвигами.
Известна стандартная ФАР, которая состоит из излучателей (набора элементов с линейными размерами меньше длины волны) [1], [2] и которой присущи все перечисленные выше недостатки.
Известно техническое решение «Широкополосная антенная решетка» (патент на изобретение РФ №2407118, опубл. 27.11.2009 г. [3]), представляющее собой сверхширокополосную многоуровневую АР (многомодовый элемент, «свернутый рупор», «Fold Нот», FH), которая обладает совершенно новыми уникальными свойствами, обусловленными ее конструкцией:
- в раскрыве искусственно создан набор разрывов непрерывности, которые не зависят от частоты, что способствует увеличению мощности излучения и расширению полосы пропускания;
- в апертуре (с учетом граничных условий) можно возбудить поле структуры волны любого из распространяющихся типов волн (мод) или их суперпозицию с нужными (управляемыми) амплитудами и фазами, что обеспечивает требуемую ориентацию углового спектра (сканирование);
- система излучения является многоуровневой, элементы любого уровня (кроме нулевого) построены по одинаковой схеме, механизм формирования структуры поля в апертуре элементов всех уровней совершенно одинаков, а отличаются они только граничными условиями, следовательно, структура построения таких АС строго подчиняется принципу иерархических систем с вложенными процессами;
- период функции возбуждения амплитудно-фазового распределения (АФР) и линейные размеры исходных рупоров и излучающего раскрыва подчиняются принципу подобия, т.е. АС характеризуется пространственно-частотной (временной) периодичностью, причем время выступает не только в качестве функционального параметра, но также и в качестве параметра хронологического упорядочивания;
- верхняя частота ограничивается только свойствами узла возбуждения (его конструкцией), а нижняя - эффективным линейным размером излучающего раскрыва, который является пространственно протяженным.
Использование такого излучателя [3] в качестве антенного элемента при конструировании АР значительно расширяет ее возможности и придает последней дополнительные свойства.
э
0
-1
+1
p
0
0
-1
+1
3
p
э
-1
+1
Решетчатая структура на базе таких многомодовых (двухуровневых) излучателей - это совершенная многоуровневая полосковая (микрополосковая) АР, конструируемая с использованием современной технологии печатных плат, отличающаяся компактностью, малой массой, высокой технологичностью и совершенно новым свойством, а именно: посредством одновременного (синхронного) изменения ориентации ДН каждого излучателя (элемента) в составе АР (сканирования ДН элемента F) происходит изменение ориентации всех ее дифракционных максимумов (ДМ) Р, P, P (сканирование ДН решетки F, он же ДМ P), при этом местоположение (ориентация) побочных ДМ Р, P, P относительно направления максимума ДН элемента F не изменяется. При таком способе управления лучом АР ее ДН F не модулируется ДН элемента F, а это значит, ей не свойственны такие недостатки, как изменение формы ДН, уменьшение величины коэффициента усиления на краю сектора и увеличение УБЛ, что характерно для классических ФАР. Размер сектора сканирования при этом зависит только от УБЛ ДН элемента и уровня побочных ДМ. P, P определяются отношением амплитуд и разностью фаз высших распространяющихся мод.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка новой сверхширокополосной сканирующей ФАР, обеспечивающей достижение следующего технического результата, а именно: значительно сократить количество фазовращателей и фазирующих секций, упростить конструкцию АР, системы управления и фазирования, повысить быстродействие при сохранении энергетических характеристик системы.
Поставленная задача решена за счет того, что в сверхширокополосной сканирующей ФАР из набора излучающих элементов, согласно настоящему изобретению, раскрыв сформирован многоуровневыми рупорными излучателями, каждый из которых имеет линейные размеры больше длины волны и управляемую диаграмму направленности, регулируемую посредством управляющего элемента.
Возможен еще вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что каждый управляющий элемент выполнен в виде фазовращателя или линии задержки и введен в многоуровневый рупорный излучатель в одно из его плеч, при этом все управляющие элементы выполнены с возможностью обеспечения синхронного перемещения упомянутой диаграммы направленности каждого излучающего элемента и, соответственно, диаграммы направленности антенной решетки.
Возможен еще вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что управляющий элемент представляет собой электронный фазовращатель, к выходам которого подключены многоуровневые рупорные излучатели, при этом электронный фазовращатель выполнен с возможностью обеспечения синхронного перемещения упомянутой диаграммы направленности каждого излучающего элемента и, соответственно, диаграммы направленности антенной решетки.
Такая структура (по сравнению с существующими) позволяет значительно уменьшить количество элементов и упростить конструкцию АР, сократить число ФВ и упростить системы управления и фазирования, повысить быстродействие, сохраняя при этом энергетические характеристики системы (КУ), а также позволяет реализовать совершенно другой (новый) алгоритм фазирования и управления положением луча АР в пространстве. При этом можно отказаться от стандартного подхода, когда традиционные управляемые ФВ включаются в фидерный тракт каждого элемента, и использовать ЭФВ, реализованные в виде аналоговых или цифровых электронных микросхем и микросборок.
Представленные чертежи поясняют суть предлагаемого устройства:
a
12
- на фиг. 1 приведены расчетные ДН многомодового элемента (излучателя, двухуровневой АР) в процессе сканирования, для случая /λ=1.2, ψ=0.5π, β=0, 0.5, 1, 2;
- на фиг. 2 изображена линейная АР, излучающий раскрыв которой сформирован из многомодовых элементов (излучателей) с линейными размерами больше длины волны, в одно из плеч (правое/левое) системы возбуждения которых включен управляемый элемент, например ФВ;
a
- фиг. 3 поясняет принцип сканирования луча АР при размере элемента больше длины волны (/λ≥1) и механизм формирования диаграммы сканирования (ДС) АР, когда управление лучом осуществляется посредством изменения отношения амплитуд распространяющихся мод параметр β (введением фазового сдвига между сигналами возбуждения многоуровневых излучателей) АР.
На фиг. 1, 2, 3 обозначены:
a
U=πsinθ/λ - обобщенная угловая координата;
20
10
20
10
β=Ам Н/Ам Н - отношение амплитуд мод Н к Н;
12
20
10
20
10
ψ=Фаза Н - Фаза Н - разность фаз мод Н и Н;
10
20
7 - элемент управления отношением амплитуд распространяющихся мод Н и Н посредством регулирования разности фаз сигналов возбуждения апертуры многомодового элемента;
а
a
- линейный размер раскрыва (апертуры) элемента, /λ≥1;
10
20
L - протяженность направляющей системы (область совместного существования распространяющихся мод Н и Н;
э
F - ДН одиночного элемента;
p
о
p
-1
+1
F - ДН АР, которая представляет собой систему дифракционных максимумов решетчатой структуры, где Р- основной ДМ, он же ДН АР - F, а Р, Р- побочные ДМ;
затушеванная часть - ДН элемента (Fэ) соответствует реальному пространству, остальное - мнимое пространство;
о
2 - уровень основного ДМ Р в процессе сканирования;
3 - уровень побочных ДМ в процессе сканирования.
На фиг. 4, 5 представлены функциональная схема электронного фазовращателя в аналоговом и цифровом исполнении (алгоритм функционирования которых совершенно одинаков, а отличаются они только элементной базой) и фрагмент структуры АР с двухуровневыми элементами, линейные размеры которых больше длины волны.
На фиг. 4 (аналоговый ЭФВ) обозначены:
1, 1a, 1б - эталонный, ведущий и подстроечный генераторы,
2 - направленный ответвитель (НО),
3 - эталонная нагрузка,
4, 4а - фазовый детектор (ФД),
5, 5а - устройство управления (УУ),
6 - генератор фазы (ГФ),
А, Б - входы двухуровневого излучателя (элемента) АР.
На фиг. 5 (цифровой ЭФВ) обозначены:
1 - направленный ответвитель,
2 - регулируемый генератор,
3 - регулируемая линия задержки (ЛЗ),
4 - интегратор,
5 - эталонный (задающий) генератор,
6 - эталонная (активная) нагрузка,
7 - генератор фазы,
А, Б - входы двухуровневого излучателя (элемента) АР.
Максимумы ДН одиночного элемента (фиг. 1) имеют направления U=0, 0.5, 1, 2, что соответствует угловой координате Θ°=0, 15, 23, 36 градусов, а это значит, что посредством перераспределения мощности между распространяющимися модами (изменения отношения амплитуд мод) можно очень эффективно управлять положением максимума ДН одиночного элемента в свободном пространстве, при этом форма ДН практически не изменяется, а УБЛ не превышает стандартных значений.
а
0.5р
При размере раскрыва =1.2λ ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности 2Θ=57…60°. При β=0.5,…2 максимум ДН элемента смещается на угол порядка Θ=19°, 45°, то есть более чем на половину ширины диаграммы; при этом форма ДН одиночного элемента практически не изменяется, а уровень боковых лепестков не превышает стандартных значений 13, 15 дБ [1], [2].
а
В таком случае АР, сконструированная на базе таких элементов [3], должна формировать ДН, максимум которой будет совпадать с направлением максимума ДН одиночного элемента, если в каждом из них будут установлены одинаковые значения отношения амплитуд распространяющихся мод. Значит, посредством параметра β - отношение амплитуд распространяющихся мод - возможно осуществить независимое сканирование ДН каждого излучателей в составе АР, когда размер ее элементов больше длины волны (/λ≥1).
Такая структура позволяет значительно уменьшить количество элементов и упростить конструкцию, сократить число ФВ и упростить системы управления и фазирования, повысить быстродействие, сохраняя при этом энергетические характеристики системы, ее коэффициент усиления, а также позволяет реализовать управление лучом АР (сканирование и даже сверхсканирование) на других принципах.
Предложенная АР и способ управления лучом в корне отличаются от известных способов электрического сканирования: фазового и частотного [1], [2].
В отличие от последних сканирование луча в данном случае реализуется посредством синхронного изменения разности фаз между сигналами возбуждения каждого из многомодовых элементов (излучателей), формирующих апертуру АР [3] (необходимо подчеркнуть, что разность фаз между сигналами возбуждения на всех элементах АР устанавливается одинаковая), в отличие от классической АР, когда сканирование луча осуществляется посредством установки разности фаз Δφ между соседними элементами [1], [2].
э
0
p
-1
+1
э
p
э
При изменении разности фаз между сигналами возбуждения в каждом элементе АР происходит одинаковое и синхронное изменение АФР на их апертуре (устанавливаются другие соотношения между амплитудами распространяющихся мод - параметр β - VAR), поэтому ДН F всех элементов в составе АР одновременно (синхронно) изменяют свою ориентацию в пространстве, а это приводит к изменению ориентации всех ДМ P(F), P, P, при этом ориентация ДМ относительно максимума ДН элемента F сохраняется, а это значит, что ДН АР F сканирует в пространстве синхронно с ДН элемента F.
ДС АР, построенной на базе двухуровневых рупорных излучателей, изображена на фиг. 3 и представляет собой огибающую диаграмму направленности двухуровневого элемента для различных значений параметра - β (см. фиг. 1).
а
12
0.5p
1р
0.5р
Линейная АР, имеющая в своем составе 20 многомодовых (двухуровневых) элементов с размерами /λ=1.2, ψ=0,5π, β≤2, формирует ДН с шириной луча 2Θ=3° и обеспечивает сектор обзора ДС по полной мощности 2Θ=±45°(90°) с УБЛ≤-20 дБ и по половинной мощности 2Θ=±60°(120°) с УБЛ≤-13…-15 дБ.
Описанный механизм сканирования луча АР рассмотрен безотносительно к реализации структуры устройств (элементов) управления амплитудно-фазовым распределением на апертуре многоуровневого излучающего элемента.
Простейший вариант реализации синхронного управления ДН всех элементов в составе АР может быть осуществлен согласно фиг. 2, когда традиционные ферритовый, полупроводниковый, газовый, плазменный фазовращатель включается в одно из плеч (правое/левое) системы возбуждения многоуровневого излучателя (элемента), и все они синхронно функционируют по одинаковому алгоритму.
Другой вариант решения задачи представлен на фиг. 4, 5, когда в качестве управляемого ФВ в такой ФАР используется ЭФВ, который отличается от известных тем, что реализован в виде двухуровневой системы ФАПЧ, которая состоит из петли синхронизации и петли фазирования, которые соответствующим образом подключены ко входам многоуровневых элементов в составе АР и обеспечивают их синхронное возбуждение с требуемыми фазовыми сдвигами.
Петли синхронизации и фазы представляют собой типовые схемы ФАПЧ, которые дополнены эталонной нагрузкой и генератором фазы.
Нагрузкой генераторов 1а, 1б является АС, входное сопротивление которой всегда является комплексным, поэтому нестабильным. С целью уменьшения влияния этой нестабильности эталонный генератор 1 нагружен на эталонную нагрузку 3, которая является активной.
эт
вед
Колебания частоты ω и ω эталонного и ведущего генераторов 1, 1а подаются на вход ФД 4. На выходе ФД формируется сигнал ошибки, пропорциональный разности фаз сигналов генераторов 1, 1а, который подается на вход УУ 5, формирующего сигнал, корректирующий эту расстройку.
Стационарный режим в системе (петля синхронизации) соответствует условию
эт
вед
(ω-ω)=Δω=0,
<mrow><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>t</mi></munderover><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>в</mi><mi>е</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
.
эт
вед
эт
под
Начальная фаза генератора 1 φ неизвестна, но она является одинаковой для генераторов 1, 1а. Сигнал частоты ω с начальной фазой φ генератора 1а и сигнал частоты ω генератора 1б через НО 2 поступают на вход ФД 4а петли фазирования, этот же сигнал через НО 2 подается на вход А двухуровневого излучателя (элемента) АР.
вед
под
1а1б
под
1а1б
В петле фазирования, кроме типовых элементов системы ФАПЧ, введен генератор фазы 6, который вырабатывает сигнал фазовой расстройки Δφ и подается на вход ФД 4а. На выходе ФД 4а формируется сигнал, пропорциональный требуемой величине расстройки (ω-ω)=Δω≠0, и подается на вход УУ (5а), формирующего сигнал, посредством которого генератор 1б отрабатывает требуемую расстройку, разность фаз φ. Сигнал генератора 1б частоты ω с начальной фазой φ через НО 2 поступает на вход Б излучателя (элемента) АР.
Стационарный режим в системе (петля фазирования) соответствует условию
вед
под
(ω-ω)=Δω≠0,
.
э
0
p
-1
+1
p
На основании полученной разности фаз между сигналами генераторов 1а и 1б на раскрыве излучателя (апертуре) каждого элемента формируется требуемое амплитудно-фазовое распределение (АФР), которое определяет пространственную ориентацию луча (ДН) каждого элемента F и ориентацию всех ДМ Р(F), P, P антенной решетки, а значит, и ее ДН F.
э
p
Таким образом, электронный ФВ задает требуемую разность фаз сигналов возбуждения каждого элемента и обеспечивает электрическое сканирование как ДН элемента F, так и луча АР F.
ЭФВ не вносит никаких дополнительных искажений в тракт АС и обладает высоким быстродействием. Требования, которые должны предъявляться к ЭФВ, зависят от свойств многоуровневых (многомодовых) элементов АР. Ограничения на ширину полосы пропускания отсутствуют, а диапазон углов изменения разности фаз (для управления положением луча АР в пространстве) не превышает величины порядка 0…±30°.
На предлагаемых принципах с использования ЭФВ довольно просто можно конструировать как пассивные, так и активные ФАР, как приемные, так и передающие. ЭФВ не накладывают никаких дополнительных ограничений на энергетику ФАР, и она, в значительной мере, избавлена от перечисленных выше недостатков.
Из изложенного становится очевидным, что задачи, поставленные при разработке данного технического решения, полностью решены предлагаемой конструкцией сверхширокополосной АР, которая реализована из многоуровневых элементов с линейными размерами больше длины волны и управляемой ДН.
Предлагаемое техническое решение - это совершенная микрополосковая (полосковая) АР, выполняемая с применением современной технологии печатных плат, отличающаяся компактностью, малой массой, высокой технологичностью и шириной диаграммы сканирования до ±60° (120°).