Модульная передающая активная фазированная антенная решетка
MODULAR TRANSMITTING ACTIVE PHASED ARRAY ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах радиосвязи и навигации, преимущественно в диапазонах средних, длинных и сверхдлинных волн.
Известна мобильная фазированная антенная решетка (ФАР) по авторскому свидетельству СССР № 995658, опубл. 20.12.1998 г., МПК H01Q1/00. Данная ФАР реализована в виде нескольких антенных модулей, смонтированных на внешних концах автоматически выдвигающихся из кузова транспортного средства штангах и смонтированных внутри кузова транспортного средства взаимодействующих блоков управления и распределения мощности передатчика, блока коррекции фазирования и электромеханических датчиков, определяющих координаты модулей. При развертывании мобильной ФАР на местности электромеханические датчики фиксируют истинные координаты модулей и электрические сигналы, характеризующие данные координаты, поступают в блок коррекции фазирования, где вырабатывается скорректированный командный сигнал блоку управления. Блок управления в свою очередь вырабатывает соответствующий управляющий сигнал для блока распределения мощности с учетом истинного положения модулей.
Недостатком данного аналога является то, что применение известной ФАР для  радиопередачи в диапазонах с большей длиной волны, чем КВ (λ>300 м), ограничено расстоянием выноса антенных модулей по условиям обеспечения надежной эксплуатации и значительной длиной ВЧ кабеля, который начинает исполнять роль трансформирующего устройства, как отрезок длинной линии при согласовании с усилителем мощности, а также невозможностью с достаточной точностью фиксировать координаты вынесенных на значительное расстояние излучателей для определения фазовых сдвигов излучателей.
Известна также модульная передающая активная фазированная антенная решетка (МП АФАР) по патенту РФ № 2557447, опубл. 20.07.2015 г., МПК H01Q11/00, которая состоит из блока автоматизированного управления параметрами (БАУП), коммутатора информационных сигналов и N модулей, каждый из которых включает излучатель. Каждый модуль выполнен в виде автономной конструкции и включает блок формирования радиотракта (БФРТ), возбудитель, разворачиваемый излучатель и исполнительный механизм подъема-спуска излучателя. Развертывание и свертывание излучателей осуществляется автоматически по сигналам от блока автоматизированного управления.
Недостатком данного аналога является отсутствие возможности определения с необходимой точностью координат излучателей и их фазирования из-за значительного пространственного разноса излучающих элементов между собой в пределах базы АФАР, а также относительно радиопередающего устройства, при работе с увеличенной длиной волны от сотен метров до десятков километров в СВ-, ДВ-, СДВ-диапазонах.
Наиболее близким по своей технической сущности аналогом (прототипом) по отношению к предлагаемому изобретению является широкодиапазонная передающая фазированная антенная решетка по авторскому свидетельству СССР SU1241324, опубл. 30.06.1986 г., МПК   H01Q3/26, которая содержит задающий генератор, распределитель сигналов на “n” трактов, блок усилителей мощности с согласующими устройствами, блок фазорегулирующих цепей, высокочастотный коммутатор и излучатели, а также блок формирования данных настройки радиопередатчика и блок формирования двух режимов работы «измерение импеданса – работа». Такая структура передающей ФАР позволяет без выхода полной мощностью в эфир провести предварительную настройку радиопередатчика на рабочую частоту при учете взаимного влияния излучателей. Данная методика настройки основана на измерении собственного коэффициента отражения и коэффициентов передачи между излучателями с последующей установкой настроечных элементов согласующего устройства в расчетные, или ранее внесенные в память положения, в зависимости от суммарного результата измерений. Эта методика применима для настройки ФАР в длинноволновом диапазоне при использовании измерительных приборов соответствующего диапазона и направленных ответвителей в ручном и дистанционном режимах. Выполнение предварительной настройки сокращает время перехода ФАР с одной частоты на другую, ранее назначенную.
Недостатком ближайшего аналога являются ограниченные возможности его использования в длинноволновых диапазонах, связанные с большой площадью базы ФАР, трудностями определения местоположения излучателей с допустимой погрешностью при развёртывании их на местности на значительном удалении друг от друга в пределах базы ФАР и установки с необходимой точностью фазового распределения излучателей в раскрыве ФАР. Эти недостатки не позволяют достичь эффективного сложения мощностей в пространстве, соответствующего множителю решётки и достаточного для обеспечения дальней радиосвязи энергетического потенциала. Прямое увеличение мощности радиопередающего устройства технически доступно и увеличивает зону обслуживания, но не позволяет концентрировать излучение в заданном азимутальном направлении.
В связи с этим потребовалось решение технической проблемы, заключающейся в обеспечении достаточной энергетической эффективности пространственного сложения мощности радиопередатчиков в СВ-, ДВ- и СДВ-диапазонах и обеспечении управления излучением по азимуту (максимумом диаграммы направленности).
Технический результат использования заявленного устройства заключается в повышении энергетической эффективности АФАР и обеспечении управления по азимуту, достаточных для обеспечения связи в СВ-, ДВ- и СДВ-диапазонах, за счет выполнения АФАР в виде N≥2 автономно синхронизируемых одноканальных передающих модулей, а также определения средствами навигации взаимного расположения излучателей с незначительной ошибкой (СКО примерно 3 м) и привязки задающих генераторов к шкале системы точного времени.
Указанный технический результат при использовании заявленного изобретения достигается тем, что модульная передающая АФАР выполнена в виде N≥2 пространственно-разнесённых одноканальных передающих модулей, входы/выходы которых соединены между собой последовательно-параллельно, при этом один из одноканальных передающих модулей является ведущим и взаимодействующим с внешним пунктом управления. Каждый из одноканальных передающих модулей содержит блок межмодульных связей, соединенный не менее чем с двумя другими блоками межмодульных связей, и подключенный к радиопередатчику модуля, который через высокочастотный переключатель на два положения «работа» и «измерения», соединен с излучателем. Каждый радиопередатчик модуля содержит процессорный блок информации и управления, который одним портом подключен к информационному (модулирующему) входу задающего генератора, выход которого соединен с последовательно соединенными другими узлами высокочастотного тракта: одноканальной фазосдвигающей цепью, усилителем мощности, согласующим устройством, датчиком тока, а другими портами - к аппаратуре радионавигации, к пульту управления и к измерителю импеданса, один вход которого соединён с измерительным выходом высокочастотного переключателя, другой вход  - с выходом одноканальной фазосдвигающей цепи, а выход - с регулирующим положение органов настройки входом согласующего устройства. Управляющие входы/выходы задающего генератора, узлов высокочастотного тракта и высокочастотного переключателя соединены через общую шину передачи данных с процессорным блоком информации и управления.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом устройстве достигается необходимый технологический и информационный обмен сигналами между пространственно-разнесёнными модулями. Для этого все N≥2 задающих генераторов синхронизируют по временной шкале системы единого времени (СЕВ) от аппаратуры навигации с точностью, достаточной для работы АФАР в СВ-, ДВ- и СДВ-диапазонах, которая должна быть не хуже приведенной фазовой ошибки к периоду несущей частоты, что обеспечивает пространственное сложение полей и управление максимумом диаграммы направленности.
Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:
Фиг. 1. Структурная схема модульной передающей АФАР.
Фиг. 2. Структурная схема одноканального передающего модуля.
Фиг. 3. Фазовое распределение в нерегулярной АФАР.
Заявленное устройство, структурная схема которого показана на Фиг.1, состоит из N≥2 пространственно разнесенных одноканальных передающих модулей, каждый из которых соединяют не менее чем с двумя другими модулями каналами связи блоков межмодульных связей (1). В общем случае доведение сигналов информации и команд управления от ведущего одноканального передающего модуля до других ведомых модулей выполняют по последовательно-параллельной схеме соединения.
Топологию соединения модулей устанавливают, исходя из условий размещения на местности и азимутального сектора обслуживания. При этом один из модулей выбирают в качестве ведущего, и один из входов этого модуля определяют как вход для связи модульной передающей АФАР с внешним пунктом управления.
На этой же схеме показано, что каждый блок межмодульных связей (1) последовательно соединен с соответствующим радиопередатчиком модуля (2) и высокочастотным переключателем (3) на два положения «работа» и «измерения», при этом в положении «работа» радиопередатчик модуля нагружен на излучатель (4), а в положении переключателя «измерения» излучатель (4) соединен с измерительным входом радиопередатчика модуля (2).
В качестве каналообразующей аппаратуры блока межмодульных связей (1) могут быть применены линии волоконно-оптической связи, как наиболее защищенные от внешних наводок со стороны излучений модулей, или цифровые радиорелейные станции, например, типа Р-430МСЗ со скоростью передачи информации до 155 Мбит/с на расстояния до 30 км и другие. Пунктирными линиями на Фиг. 1 показаны возможные варианты связей между модулями.
На Фиг. 2 представлена структурная схема одноканального передающего модуля.
Радиопередатчик модуля (2), соединённый с двухканальным блоком межмодульной связи (1), состоит из процессорного блока информации и управления (5), который одним портом подключен к информационному (модулирующему) входу задающего генератора (7), выход которого соединен с последовательно соединенными друг с другом узлами высокочастотного тракта – одноканальной фазосдвигающей цепью  (8), усилителем мощности (10), согласующим устройством (11) и датчиком тока (13),  а другими портами - к аппаратуре навигации (9), к пульту управления (6) и к измерителю импеданса (12), который соединён с измерительным входом высокочастотного переключателя (3) и выход фазосдвигающей цепи одноканальной (8) и регулирующим положение органов настройки входом согласующего устройства (11). Управляющие входы/выходы задающего генератора (7), узлов высокочастотного тракта и высокочастотного переключателя (3) соединены через общую шину передачи данных (14) с процессорным блоком информации и управления (5).
Высокочастотный переключатель (3) на два положения обеспечивает подключение излучателя к ВЧ-тракту или к измерителю импеданса (12) со степенью развязки входов до уровня не менее минус 90 дБ, так как на входе излучателя создаётся высокое напряжение из-за большой реактивной энергии в контуре.
В качестве антенных излучателей (4), в зависимости от рабочего диапазона волн, могут быть использованы вертикальные полувибраторы с заземлителем различной конструкции, в том числе тросовые излучатели, поднимаемые с помощью аэростатов, а также стелющиеся симметричные вибраторы.
Процессорный блок информации и управления модуля (5) предназначен для ретрансляции информационного сигнала, поступающего с выхода блока межмодульной связи, другим модулям, и всех данных (расписание работы, режим, частота, азимут, мощность и т.д.), а также для установки фазы с использованием специального программного обеспечения и для настройки передающего тракта синхронизации  задающего генератора и определения взаимного расположения модулей как элементов АФАР. Процессорный блок информации и управления (5) может быть реализован на базе рабочей станции оператора АСУ Advantix IPC-2U-SYS9-A10, имеющей достаточное количество портов, и оптимизирован для монтажа в 19-ти дюймовую стойку.
Пульт управления (6) предназначен для управления, контроля и отображения состояния технических средств и взаимодействия по каналам межмодульной связи с другими модулями. Пульт управления ведущего модуля предназначен также для взаимодействия с внешним звеном управления. Пульт управления устанавливается на рабочем месте оператора и представляет собой панель управления с дисплеем, подключенную к процессорному блоку информации и управления одноканального передающего модуля.
В качестве задающего генератора (7) может быть использован один из существующих возбудителей, например типа RIZ DRM Modulator/Exciter RIZ-Transmitters Co или отечественные аналоги.
Одноканальная фазосдвигающая цепь (8) может быть выполнена, например,  в виде последовательно включенной ячейки на фазовых контурах второго порядка с дискретно-управляемой фазовой характеристикой и единичной амплитудной характеристикой, с погрешностью установки фазы не хуже 6°. Конструктивно фазосдвигающая цепь представляет собой печатную плату с установленными на ней элементами собственного изготовления (индуктивностями) и стандартными покупными радиоэлементами. Одноканальная фазосдвигающая цепь с необходимой точностью установки фазы высокочастотного сигнала также может быть выполнена на линиях задержки.
В качестве аппаратуры навигации (9) применяют аппаратуру с высокой точностью определения координат и с предельно малой среднеквадратической ошибкой (СКО) положения временной метки на шкале времени, по сигналам навигационных систем «ГЛОНАСС», GPS и др., например  (МНП-М9,1), обеспечивающие точность определения координат с СКО не хуже 3 м и точностью определения времени с СКО не хуже 50 нс.
Усилитель мощности (10) может быть выполнен на твердотельных усилительных элементах разных типов, например полевых транзисторах типа IGBT, модулей типа М2ТКИ-300-12КЧ и других со сложением усилительных ячеек и конструктивно объединенных в стойку, например, серия NX Series Transmitter.
Согласующее устройство (11) может быть реализовано по традиционной резонансной схеме, в виде “Г”-образной или “Т”-образной схемы, выбор которой зависит от входного сопротивления излучателя. При емкостном характере нагрузки излучателя используют вариометры грубой и точной настройки.
Измеритель импеданса (12) используют для определения входного импеданса излучателя с учетом взаимной связи с другими излучателями, который равен сумме собственного и вносимых импедансов. Для проведения измерений при λ<1 км может быть использован, например, измеритель комплексных сопротивлений прибор «Обзор-3», при λ>1 км – направленные ответвители с обработкой сигналов по соответствующей методике.
В качестве датчика тока (13) могут быть применены датчики, основанные на эффекте Холла, например, компании «Твелем» с цифровым выходом.
Заявленное устройство работает следующим образом.
После развёртывания одноканальный передающих модулей на местности и установки межмодульных связей между ними по данным аппаратуры навигации проводят обмен координатами между одноканальными передающими модулями и уточняют топологию размещения АФАР с точки зрения работы в заданном азимутальном секторе. Далее определяют ведущий модуль, который устанавливает связь с внешним звеном управления. Ведущий модуль по каналу связи получает исходные данные для работы и  ретранслирует их по каналам межмодульных связей всем остальным одноканальным передающим модулям.
Каждый одноканальный передающий модуль проводит привязку задающих генераторов к единой шкале времени с инструментальной погрешностью аппаратуры навигации Δt. Если эта погрешность не превышает величину приведенной фазовой ошибки к периоду несущей частоты Δφ°= 360°·Δt/Т, устанавливают фазы одноканальных фазосдвигающих цепей излучателей, соответствующие пространственному сложению мощности в заданном азимутальном направлении.
На Фиг. 3 показана АФАР, состоящая и 5-ти одноканальных передающих модулей, и указаны относительные линейные и угловые параметры излучателей при нерегулярном их размещении на местности. Для определения расстояний между излучателями и азимутов могут быть  использованы программные методы кадастровых расчётов по координатам.
Расчёт фазового распределения выполняют относительно одноканального передающего модуля, находящегося на линии плоского фронта волны с фазой равной нулю, фазы всех других одноканальных передающих модулей соответствуют запаздыванию относительно первого одноканального передающего модуля. Плоский фронт волны определяет ортогональное направление максимума излучения. При смене азимута излучения фронт волны может формироваться относительно другого излучателя с нулевой фазой, равной нулю.
В случае, когда точность привязки ведущих генераторов к системе единого времени недостаточна, т.е. СКО шкалы времени больше допустимой Δt, для установки фазового распределения в раскрыве АФАР проводят коррекцию синхронизации задающих генераторов.
На первом этапе коррекции один одноканальный передающий модуль излучает несущую, другой принимает и устанавливает фазу задающего генератора по фазе принятой несущей, то есть после этой коррекции фазы двух задающих генераторов отличаются на долю периода, соответствующую времени задержки между одноканальными передающими модулями.
На втором этапе коррекции, наоборот, второй излучает - первый принимает. Фазу между одноканальными передающими модулями, принятую первым модулем несущей, отличающуюся на двойное время распространения, корректируют на половину этой величины и запоминают ее в цифровом виде.
Таким образом, оба задающих генератора приводят в синхронизм. Аналогичным способом синхронизируют другие задающие генераторы, используя полученную временную задержку между одноканальными передающими модулями.
После завершения опорного фазирования задающих генераторов, т.е. приведения к единой шкале времени, устанавливают фазу каждого излучателя по координатам, поступающим от аппаратуры навигации. Далее, устанавливая фазы одноканальных фазосдвигающих цепей в положения, соответствующие заданному азимуту излучения, в пространстве формируют направленное излучение со своей диаграммой направленности.
После завершения установки фаз одноканальных фазосдвигающих цепей приступают к  выполнению измерений элементов матрицы импедансов путем возбуждения по очереди входов излучателей и измерения на остальных входах излучателей (положение высокочастотного переключателя «измерения») коэффициентов передачи по напряжению (Добрынская И.А., Костенко Н.П., Сосунов Б.В., Фитенко Н.Г., Шестаков Ю.И. «Матрица импедансов и усиление линейной решетки широкополосных коротковолновых вибраторов». Сб.: Вопросы расчета и проектирования антенн и радиолиний. Изд. ВКАС имени С.М. Буденного, 1982 г.).
По полученным значениям импедансов нагрузки органы настройки согласующих устройств (вариометры при емкостной нагрузке) устанавливают в положения, соответствующие комплексно-сопряженной величине импеданса.
Завершив установку органов настройки усилителей мощности с согласующими устройствами, по команде от ведущего модуля АФАР переводят в рабочий режим: включают все одноканальные передающие модули, контролируют настройку согласующих устройств и при необходимости их подстраивают, контролируют фазовое распределение в раскрыве АФАР, приступают к передаче сообщений через эфир.
Исходные данные и информация для передачи, поступающие на вход модульной передающей АФАР, транслируются со стороны ведущего модуля всем другим одноканальным передающим модулям через блоки межмодульных связей.
Таким образом, предложенное устройство, основанное на синхронизации пространственно разнесённых задающих генераторов с использованием средств радионавигации и СЕВ, позволяет достичь эффекта сложения электромагнитных полей в пространстве и обеспечить азимутальное управление излучением. Кроме того, следует отметить, в отличие от стационарных радиостанций (без АФАР), с точки зрения удалённого наблюдателя исключается возможность точного пеленгования излучения в зоне формирования диаграммы направленности излучения, которое составляет примерно 8...10л (при л=10 км диаметр зоны составляет примерно 200 км).