Распределитель для фазированной антенной решетки

Полезная модель относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в волноводной сверхвысокочастотной (СВЧ) антенной технике в составе распределительных систем для фазированных антенных решеток (ФАР), в том числе для активных фазированных решеток (АФАР).
Из уровня техники известен распределитель для фазированной антенной решетки (Патент на изобретение RU №2330358, опубликовано 27.07.2008, МПК: H01Q 3/26, H01Q 25/02), который 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, имеющих по 2К выходов каждая и формирующих оптимальное амплитудное распределение для суммарной диаграммы направленности (ДН). При этом в одни 4К выходов линеек направленных ответвителей СВЧ энергия ответвляется, а в другие 4К выходов линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия не поступает. Распределитель также состоит из суммирующего устройства с одним разностным входом и четырьмя выходами, каждый из которых соединен соответственно с входом одной из четырех дополнительных линеек направленных ответвителей, имеющих 2К выходов каждая, при этом в 4К выходов дополнительных линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия ответвляется, а в другие 4К выходов дополнительных линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия не поступает, а также фазирующих секций и согласованных нагрузок. Выходы основных и дополнительных линеек направленных ответвителей, в которые СВЧ-энергия ответвляется, попарно подключены к входам 4К гибридных устройств. Причем в цепи подключения выходов основных и дополнительных линеек к гибридным устройствам в одну из цепей каждой пары включены 4К фазирующих секций. При этом выбор величины переходных ослаблений направленных ответвителей дополнительных линеек определяется из условия формирования на их выходах амплитудного распределения, соответствующего разностной ДН в плоскости расположения распределителя с пониженным уровнем боковых лепестков, а ко всем выходам основных и дополнительных линеек направленных ответвителей, в которые СВЧ-энергия не поступает, присоединены 8К согласованных нагрузок, причем в каждом гибридном устройстве один из двух выходов является выходом распределителя для ФАР, а к другому выходу присоединена согласованная нагрузка. При этом разностная ДН в плоскости расположения распределителя с пониженным уровнем боковых лепестков формируется по входу суммирующего устройства, а к разностному входу СВЧ-сумматора Вх. УМ присоединена согласованная нагрузка.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является распределитель для фазированной антенной решетки (Патент на изобретение RU №2364999, опубликовано 20.08.2009, МПК: H01Q 3/26). Распределитель для фазированной антенной решетки, состоящий 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, а также суммирующего устройства с одним разностным входом и четырьмя выходами, каждый из которых соединен соответственно с входом одной из четырех дополнительных линеек направленных ответвителей, имеющих 2К выходов каждая, при этом в 4К выходов всех дополнительных линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия ответвляется, а в другие 4К выходов всех дополнительных линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия не поступает, а также фазирующих секций и 4К согласованных нагрузок, отличающийся тем, что величины переходных ослаблений направленных ответвителей дополнительных линеек направленных ответвителей выбраны из условия формирования на их выходах амплитудного распределения, соответствующего разностной диаграмме направленности с пониженным уровнем боковых лепестков в плоскости расположения распределителя, а выходы основных и дополнительных линеек направленных ответвителей, в которые СВЧ-энергия ответвляется, попарно подключены к 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 один вход его 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, а 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 СВЧ-сумматора, обеспечивающему формирование разностной диаграммы направленности в плоскости расположения распределителя, присоединена согласованная нагрузка.
К недостаткам данных устройств можно отнести разброс фаз сигналов на суммарном входе СВЧ-сумматора от каждой из четырех основных линеек направленных ответвителей
Техническая проблема, решаемая созданием заявленной полезной модели, заключается в сложности устранения разбросов фазовых характеристик в фазированных антенных решетках после стыковки основных линеек направленных ответвителей к СВЧ-сумматору распределителя, обусловленных погрешностью изготовления составных частей волноводных устройств.
Технический результат предлагаемого технического решения заключается в осуществлении компенсации разбросов фазовых характеристик распределителя для ФАР при изготовлении фазированных антенных решеток, в том числе активных фазированных решеток (АФАР).
Технический результат достигается тем, что распределитель для фазированной антенной решетки (ФАР) с суммарно-разностной диаграммой направленности состоит из СВЧ-сумматора, включающего суммарный вход, разностный угломестный вход, разностный азимутальный вход и четыре выхода, а также четырех основных линеек направленных ответвителей, формирующих оптимальное амплитудное распределение для суммарной диаграммы направленности. При этом он отличается от прототипа тем, что в распределитель для ФАР дополнительно введены четыре под-строечных фазовращателя, каждый из которых установлен соответственно между одним из выходов СВЧ-сумматора и одной из основных линеек направленных ответвителей. При этом первый подстроечный фазовращатель подключен к первому выходу СВЧ-сумматора и входу первой основной линейки направленных ответвителей.
Второй подстроенный фазовращатель подключен ко второму выходу СВЧ-сумматора и входу второй основной линейки направленных ответвителей. Третий подстроенный фазовращатель подключен к третьему выходу СВЧ-сумматора и входу третьей основной линейки направленных ответвителей. Четвертый подстроечный фазовращатель подключен к четвертому выходу СВЧ-сумматора и входу четвертой основной линейки направленных ответвителей. Причем каждая основная линейка направленных ответвителей выполнена с возможностью подключения к одному из квадрантов апертуры ФАР.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется рисунком, на котором представлена структурная схема распределителя для фазированной антенной решетки.
Заявляемый распределитель для фазированной антенной решетки содержит следующие элементы:
1 - СВЧ-сумматор;
2 - суммарный вход СВЧ-сумматора (Вх. Σ);
3 - угломестный разностный вход СВЧ-сумматора (Вх. УМ);
4 - азимутальный разностный вход СВЧ-сумматора (Вх. АЗ);
5 - первый выход СВЧ-сумматора;
6 - второй выход СВЧ-сумматора;
7 - третий выход СВЧ-сумматора;
8 - четвертый выход СВЧ-сумматора;
9 - первая основная линейка направленных ответвителей (НО);
10 - вторая основная линейка направленных ответвителей (НО);
11 - третья основная линейка направленных ответвителей (НО);
12 - четвертая основная линейка направленных ответвителей (НО);
13 - первый подстроечный фазовращатель;
14 - второй подстроечный фазовращатель;
15 - третий подстроечный фазовращатель;
16 - четвертый подстроечный фазовращатель;
17 - первый квадрант апертуры ФАР;
18 - второй квадрант апертуры ФАР;
19 - третий квадрант апертуры ФАР;
20 - четвертый квадрант апертуры ФАР.
СВЧ-сумматор 1 предназначен для одновременного формирования суммарной и двух разностных диаграмм направленности: угломестной и азимутальной. СВЧ-сумматор 1 содержит один суммарный вход (Вх. Σ) 2 и два разностных входа: угломестный разностный вход (Вх. УМ) 3 и азимутальный разностный вход (Вх. АЗ) 4. СВЧ-сумматор 1 также содержит четыре выхода: первый выход 5, второй выход 6, третий выход 7 и четвертый выход 8. При этом первый выход 5 СВЧ-сумматора 1 через первый подстроечный фазовращатель 13 соединен с входом первой основной линейки 9 направленных ответвителей, второй выход 6 СВЧ-сумматора 1 через второй подстроечный фазовращатель 14 соединен с входом второй основной линейки 10 направленных ответвителей, третий выход 7 СВЧ-сумматора 1 через третий подстроечный фазовращатель 15 соединен с входом третьей основной линейки 11 направленных ответвителей, четвертый выход 8 СВЧ-сумматора 1 через четвертый подстроечный фазовращатель 16 соединен с входом четвертой основной линейки 12 направленных ответвителей.
При этом первый подстроечный фазовращатель 13 подключен к первому выходу 5 СВЧ-сумматора 1 и входу первой основной линейки направленных ответвителей 9, второй подстроечный фазовращатель 14 подключен ко второму 6 выходу СВЧ-сумматора 1 и входу второй основной линейки направленных ответвителей 10, третий подстроечный фазовращатель 15 подключен к третьему выходу 7 СВЧ-сумматора 1 и входу третьей основной линейки направленных ответвителей 11, четвертый подстроечный фазовращатель 16 подключен к четвертому выходу 8 СВЧ-сумматора 1 и входу четвертой основной линейки направленных ответвителей 12.
Основные линейки направленных ответвителей 9, 10, 11, 12 формируют оптимальное амплитудное распределение для суммарной диаграммы направленности и выполнены с возможностью соединения с входами соответствующих квадрантов апертуры ФАР: первого квадранта 17, второго квадранта 18, третьего квадранта 19, четвертого квадранта 20.
При изготовлении и сборке волноводных устройств, которые стыкуются на финишной сборке к СВЧ-сумматору, возможен, даже при допустимой погрешности изготовления, разброс фаз сигналов на суммарном входе СВЧ-сумматора от каждой из четырех основных линеек направленных ответвителей до нескольких градусов, что приводит к неоптимальному фазовому распределению в раскрыве антенной решетки, которая одновременно осуществляет прием по суммарному и разностному каналам. Особенно критично это проявляется в глубине провала разностной диаграммы направленности, которая в современных антенных решетках составляет до 35 дБ, при этом требование к уровню первого бокового лепестка суммарной ДН составляет до 25 дБ в широкой полосе частот.
При производстве распределителя для фазированной антенной решетки осуществляют изготовление деталей и узлов, входящих в его состав. Причем все входящие детали выполняют с высокой точностью (до 0,05 миллиметра) и малыми технологическими допусками. Производят сборку и настройку каждой из четырех основных линеек направленных ответвителей: 9, 10, 11, 12.
Далее при сборке распределителя для фазированной антенной решетки устанавливают СВЧ-сумматор 1. К первому выходу 5 СВЧ-сумматора 1 подключают первый подстроечный фазовращатель 13. Ко второму выходу 6 СВЧ-сумматора 1 подключают второй подстроечный фазовращатель 14. К третьему выходу 7 СВЧ-сумматора 1 подключают третий подстроечный фазовращатель 15. К четвертому выходу 8 СВЧ-сумматора 1 подключают четвертый подстроечный фазовращатель 16. После чего к первому подстроечному фазовращателю 13 подключают первую основную линейку направленных ответвителей 9, выполненную с возможностью дальнейшего подключения к первому квадранту 17 апертуры ФАР. Ко второму подстроечному фазовращателю 14 подключают вторую основную линейку направленных ответвителей 10, выполненную с возможностью дальнейшего подключения ко второму квадранту 18 апертуры ФАР. К третьему подстроечному фазовращателю 15 подключают третью основную линейку направленных ответвителей 11, выполненную с возможностью дальнейшего подключения к третьему квадранту 19 апертуры ФАР. К чевертому подстроечному фазовращателю 16 подключают четвертую основную линейку направленных ответвителей 12, выполненную с возможностью дальнейшего подключения к четвертому квадранту 20 апертуры ФАР.
На данном этапе возможна расфазировка между сигналами суммарного входа распределителя от настроенных основных линеек направленных ответвителей 9, 10, 11, 12 до 10° и более. В результате чего после стыковки распределителя с квадрантами фазированной антенной решетки при фазировке распределителя по суммарному входу расфазировка между основными линейками направленных ответвителей будет компенсированной, а по разностному угломестному и разностному азимутальному входам она будет не оптимальной. При этом очень сложно обеспечить данное требование относительно разностных каналов, так как требуется перенастройка каждой из четырех основных линеек направленных ответвителей, что является длительным и дорогостоящим процессом. Для того, чтобы обеспечить оптимальную фазировку распределителя как по суммарному, так и по разностным каналам, необходимо произвести подстройку сигналов каждой основной линейки направленных ответвителей посредством подстроенных фазоврвщателей.
Таким образом, введение первого подстроенного фазовращателя 9, второго подстроенного фазовращателя 10, третьего подстроенного фазовращателя 11 и четвертого подстроенного фазовращателя 12 позволяет осуществить подстройку полностью собранного распределителя для фазированной антенной решетки, компенсировать расфазировку основных линеек направленных ответвителей и обеспечить компенсацию разбросов фазовых характеристик на суммарном и разностных входах распределителя для ФАР и требуемые характеристики излучения при изготовлении фазированных антенных решеток, в том числе активных фазированных решеток (АФАР).