Фазированная антенная решетка
PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к сверхвысокочастотной радиотехнике, в частности, к конструкциям фазированных антенных решеток (ФАР), которые могут быть использованы в радиолокационных системах с электрическим сканированием луча.
Известна ФАР, описанная в патенте RU 2622241, содержащая элементы ФАР и основание в виде несущей рамы с отверстиями, причем на несущей раме закреплены радиопрозрачный обтекатель и крышка, выполненная в виде совокупности плоских пластин прямоугольного сечения, попарно сопряженных между собой боковыми стенками и оси которых параллельны, а на боковых стенках пластин выполнены пазы, перпендикулярные оси пластин, которые после объединения пластин образуют установочные отверстия, расположение которых соответствует расположению установочных отверстий, выполненных в несущей раме, причем в установочных отверстиях несущей рамы и пластин закреплены элементы ФАР, а по периметру несущей рамы установлены разъемы, к выводам которых подключены цепи управления элементов ФАР.
Недостатками этого устройства являются:
- сложность конструкции ФАР, обусловленная наличием большого числа плоских пластин, соединенных с ними боковых стенок, после объединения которых формируются отверстия для установки элементов ФАР;
- высокая трудоемкость сборки ФАР из-за поэлементной сборки полотна ФАР, а также из-за особой конструкции корпуса - с большим числом отверстий, выполненных с высокой точностью;
- большие габаритные размеры ФАР из-за расположенных на боковой поверхности ФАР разъемов.
Известна ФАР, описанная в статье Б.В. Бункина, А.А. Леманского «Опыт разработки и серийного производства пассивных фазированных антенных решеток Х-диапазона», опубликованной в материалах конференции Международной конференции по радиолокации, Париж, 3-6 мая 1994 г., Antenna design., стр. 20-24.
Данная ФАР выполнена проходного типа с пространственным возбуждением, содержащая передающий и приемные рупоры, полотно ФАР, образованное модулями решетки, каждый из которых содержит корпус с закрепленными на нем многослойным пультом управления и элементами ФАР, при этом электропроводка плиты полотна ФАР выполнена в виде специальной печатной платы с печатными информационными линиями, линиями питания и разъемами для модулей, а модули управления, обеспечивающие поэлементное фазирование элементов решетки, и источники питания расположены на боковой поверхности полотна ФАР.
Недостатками данной конструкции ФАР являются:
- сложная система возбуждения полотна ФАР, включающая независимые друг от друга передающий и приемные рупоры, а также поляризационную решетку;
- большие поперечные размеры ФАР, обусловленные размещением модулей системы управления лучом (СУЛ) на боковой поверхности полотна ФАР;
- невысокая надежность модулей ФАР из-за объединения в одном модуле ФАР некоторого количества элементов ФАР с электронными элементами СУЛ.
По совокупности существенных признаков прототипом заявляемого решения выбрана ФАР, описанная в патенте RU 2584404.
ФАР, описанная в данном патенте, выполнена проходного типа с пространственным возбуждением и содержит корпус ФАР, моноимпульсный облучатель (МИО), систему управления лучом (СУЛ), корпус полотна ФАР, линейные модули, каждый из которых включает в себя основание, на котором закреплены многопроводная печатная плата и элементы ФАР, при этом многопроводная печатная плата соединена с выходами СУЛ.
Недостатками данной конструкции является:
- высокая трудоемкость сборки и низкая ремонтопригодность ФАР вследствие расположения компонентов ФАР вне корпуса антенной решетки;
- большое число линейных проводников печатной платы линейного модуля, ограничивающих количество элементов ФАР в одном линейном модуле;
- отсутствие радиопрозрачного укрытия (РПУ), защищающего ФАР от внешних механических воздействий и воздействий окружающей среды.
Задачами предлагаемого изобретения является упрощение конструкции, снижение трудоемкости и повышение ремонтопригодности ФАР, а также уменьшение ее поперечных размеров.
Данная задача решается конструкцией ФАР проходного типа с пространственным возбуждением, содержащая корпус ФАР, МИО, СУЛ, корпус полотна ФАР, линейные модули, каждый из которых включает в себя основание на котором закреплены многопроводная печатная плата и элементы ФАР, при этом многопроводная печатная плата соединена с выходами СУЛ, новым является то, что СУЛ состоит из нескольких конструктивно-сменных единиц, выполненных в виде печатных плат, установленных в корпусах, каждая из которых выполняет функции модуля питания или модуля управления, размещенных внутри корпуса ФАР между линейными модулями и задней стенкой корпуса ФАР вокруг МИО за пределами зоны облучения ФАР, причем конструктивно-сменные единицы жестко закреплены торцами на задней стенке корпуса ФАР, при этом каждый элемент ФАР одним выводом соединен с одним проводником многопроводной печатной платы, а другим - с шиной заземления, установленной на основании линейного модуля.
При этом МИО закреплен на задней стенке корпуса ФАР, выполненной в виде крышки, а его фазовый центр находится на продольной оси ФАР. Конструктивно-сменные единицы с внутренней стороны имеют скосы относительно продольной оси ФАР за пределами угла облучения ФАР моноимпульсным облучателем. Также на печатных платах модулей управления расположены разъемы подключения линейных модулей, которые жестко соединены с печатными платами линейных модулей проводами управления, образующих жгуты. С лицевой стороны корпуса ФАР закреплено радиопрозрачное укрытие.
Данное решение позволило добиться следующих результатов:
- СУЛ размещена таким образом, что позволило не увеличивать поперечные размеры ФАР, т.к. при проектировании ФАР необходимо действовать в условиях жестких габаритных ограничений;
- уменьшилось количество проводов, идущих от ФАР к СУЛ;
- увеличилось число элементов ФАР, размещаемых на одном линейном модуле;
- по сравнению с прототипом разработанная конструкция ФАР позволила снизить трудоемкость сборки и повысить ремонтопригодность изделия;
- осуществляется защита ФАР от внешних механических воздействий и воздействий окружающей среды;
Предложенное техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлен вид с лицевой стороны корпуса ФАР без установленного РПУ, на фиг. 2 (продольный разрез по А-А,) представлена конструкция ФАР с расположением ее составных частей, а на фиг.3 изображены фрагмент линейного модуля и модуль управления.
Устройство содержит корпус ФАР (1), корпус полотна ФАР (2), крышку (3), РПУ (4), МИО (5), линейные модули решетки (6), основания линейных модулей (7), элементы ФАР (8), многопроводные печатные платы (9), шины заземления (10), модули питания (11), модули управления (12), корпуса модулей питания или модулей управления (13), печатные платы корпуса модулей питания или модулей управления (14), разъемы подключения линейных модулей (15), провода управления (16), жгуты (17).
Размещение компонентов СУЛ (11, 12) внутри корпуса ФАР (1) в пространстве между его задней стенкой, представляющей собой крышку (3), и линейными модулями (6) способствовало уменьшению поперечных размеров антенной решетки, что позволило использовать ФАР в условиях жестких габаритных ограничений, а также снизить трудоемкость сборки и повысить ремонтопригодность изделия.
обл
обл
Компоненты СУЛ (11, 12) жестко закреплены торцами на крышке (3) и имеют с внутренней стороны скосы относительно продольной оси антенной решетки за пределами угла облучения α раскрыва ФАР моноимпульсным облучателем (5). Угол облучения α раскрыва ФАР определяется зависимостью
где R - радиус раскрыва полотна ФАР, мм;
ƒ - расстояние от фазового центра МИО (5) до плоскости раскрыва ФАР, мм.
Возбуждение ФАР осуществляется МИО (5), закрепленным на крышке (3), формирующим суммарные диаграммы направленности в режиме приема и передачи, и разностные диаграммы направленности в угломестной и в азимутальной плоскостях в режиме приема.
Размещение шины заземления (10) на основании линейного модуля (7) позволяет осуществлять управление элементами ФАР (8) по одному проводнику относительно корпуса (1), что способствует уменьшению количества проводников, идущих от разъемов подключения линейных модулей (15) к выводам элементов ФАР, а также обеспечить возможность увеличения числа элементов ФАР (8), размещаемых на одном линейном модуле (6).
Для защиты от внешних механических воздействий и воздействий окружающей среды линейные модули ФАР (6), МИО (5) и компоненты СУЛ (11, 12) размещены в герметичном корпусе ФАР (1), закрытым с внешней стороны РПУ (4).
Изготовление элементов конструкции МИО (5) на современном оборудовании позволяет обеспечить высокую точность и симметрию каналов облучателя. За счет малого количества деталей упрощается процесс сборки и настройки облучателя, а также уменьшаются габаритные характеристики изделия.
Эффективность предлагаемого технического решения проверена экспериментально в процессе модернизации образцов ФАР. Разработана техническая документация на блоки, системы и ФАР в целом, изготовлены экспериментальные образцы, проведены с положительными результатами лабораторно-стендовые и натурные испытания.
Предложенное техническое решение может найти промышленное применение, например, при модернизации РЛС, содержащих ФАР, с целью повышения эффективности, надежности, упрощения конструкции и расширения возможностей практического применения.