МНОГОЛУЧЕВАЯ ПЕРЕДАЮЩАЯ АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
MULTIBEAM TRANSMITTING ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

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.
Известна приемная многолучевая активная фазированная антенная решетка (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 n-ую группу из последовательно соединенных излучателя, малошумящего усилителя, М-канального делителя мощности (где М≥2.), а также параллельно подключенные к нему первыми входами М фазовращателей, параллельно соединенных кроме того вторыми входами с блоком управления фазовращателями, и лучевого сумматора. Данное решение значительно увеличивает количество обслуживаемых абонентов за счет формирования нескольких независимых приемных лучей с одинаковой энергетикой (под энергетикой приемного луча понимают добротность на прием, равную отношению коэффициента шума (шумовой температуры) к общему усилению антенны), что достигается общим управлением (с помощью одной фазовой программы) для фазовращателей всех N групп от блока управления фазовращателями. Однако, рассматривается только приемная АФАР.
Известна 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, входом которого является антенная решетка из N (N≥2) излучателей, являющихся входами соответствующих n-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, а также фазовращатели приемного и передающего трактов, один блок управления фазовращателями приемного тракта и приемопередающее устройство сигналов от выхода приемного тракта на вход передающего тракта. Таким образом, система функционирует на прием и передачу сигналов. При этом все фазовращатели обслуживает один блок управления, передающий одну фазовую программу на прием и передачу, а приемный и передающий тракты предназначены для формирования лишь одного луча на прием и одного луча на передачу.
Ближайшим аналогом предполагаемого технического решения является многолучевая фазированная антенная решетка по патенту США №6169513, опубликовано 02.01.2001 (МКИ Н04В 7/185). Антенная решетка содержит многоканальные делители мощности (8 - по указанному патенту), многоканальный выход каждого из которых подключен к соответствующему высокочастотному информационному входу n-го (2≤n≤N) передающего модуля (7), низкочастотный управляющий вход последнего подключен к устройству управления (10) через общее устройство управления фазовращателями (9) (одно для всех фазовращателей), а выход - к соответствующему n-му излучателю (1). Каждый модуль (7) содержит М параллельных фазовращателей (6), информационный вход каждого из которых подключен к соответствующему информационному входу модуля (7), а выход - к входу сумматора (13), подключенного к выходу модуля (7) через усилитель мощности (2). Входы делителей образуют высокочастотный многоканальный вход антенной решетки, а излучатели - ее высокочастотные выходы, образующие ее многолучевой выход.
Устройство управления (10) задает алгоритм управления лучами, устройство управления фазовращателями (9) формирует сигналы управления фазовращателями (фазовые программы) для передачи по кабелям (11) на каждый из входов n-го модуля (7), образующих управляющий вход этого модуля. Каждому фазовращателю в каждом модуле до сборки модулей жестко присваивают индивидуальный электронный адрес, что мешает взаимозаменяемости как передающих модулей целиком, так и отдельных фазовращателей, усложняет регулировку, ремонт и обслуживание антенны, так как требует указания этого адреса в регулировочных устройствах, перепрограммирования схемы управления модуля при любой замене передающего модуля целиком либо отдельного фазовращателя, а так же большое количество кабелей (по количеству фазовращателей). Для этого требуется введение дополнительных управляющих разъемов, усложняющих конструкцию модуля и увеличивающих его габариты.
Задачей предлагаемого в качестве изобретения технического решения является создание многолучевой передающей активной фазированной антенной решетки (антенной решетки), позволяющей упростить сборку, настройку и отладку системы, а также значительно снизить затраты на обслуживание и ремонт.
Задача решается в предлагаемой многолучевой передающей активной фазированной антенной решетке за счет введения в каждый из N передающих модулей (ПМ) соответствующего n-го индивидуального устройства адресации и управления фазовращателями (АУФ) и разделения контактов на адресные, один из которых «общий», а остальные комбинируемые, и управляющие в хотя бы двух разъемных соединениях для подключения с помощью соответствующего n-го кабеля управления (КУ) управляющего низкочастотного входа каждого n-го ПМ (АУФ) к соответствующему n-му выходу УУ. При этом на одной из частей одного из упомянутых разъемных соединений выполнена индивидуальная n-ая комбинация адресных контактов посредством замыкания на «общий» адресный контакт определенных комбинируемых адресных контактов, чем определяют соответствующий индивидуальный двоичный адрес каждого n-го ПМ и соответственно, каждого из его фазовращателей. При подаче одного значения напряжения (называемого «лог.1») на «общий» и другого значения напряжения (называемого «лог.0») на комбинируемые адресные контакты при включении собранной антенной решетки, устанавливают соответствующий индивидуальный двоичный адрес каждого n-го АУФ (ПМ). Управляющие контакты КУ, ПМ (АУФ) и УУ остаются неизменными.
Таким образом, каждый n-ый ПМ имеет общий (одинаковый) первоначальный электронный адрес, что позволяет унифицировать его регулировку и проверку. Индивидуальный (рабочий) электронный адрес каждому ПМ (и соответственно каждому из его фазовращателей) присваивается при подключении низкочастотного входа n-го ПМ и соответствующего выхода УУ с помощью двух разъемных соединений, одна часть одного из которых имеет индивидуальную комбинацию адресных контактов.
Адресация ПМ посредством сборки и запуска работы АФАР при индивидуальной комбинации адресных контактов на одной части одного из упомянутых соединений позволяет полностью унифицировать все ПМ, так как исключает необходимость дополнительного прописывания индивидуального электронного адреса каждому фазовращателю при регулировке каждого из ПМ и значительно ускоряет сборку АФАР, а также замену всего ПМ либо отдельных его фазовращателей.
При этом многолучевая передающая АФАР, выполненная с возможностью подачи необходимого напряжения питания на все элементы схемы, требующие питания, содержит М многоканальных делителей мощности (Д). Многоканальный выход каждого m-го (2≤m≤М) Д подключен к соответствующему m-му информационному входу n-го (2≤n≤N) передающего модуля (ПМ). Выход каждого n-го ПМ подключен к соответствующему n-му излучателю (ИЗЛ). Входы делителей образуют многоканальный вход антенной решетки, а излучатели - ее многолучевой выход. Управляющий вход каждого n-го ПМ соединен с соответствующим n-м выходом устройства управления (УУ). Каждый ПМ содержит М параллельных фазовращателей (ФВ), информационный вход каждого из которых подключен к соответствующему m-му информационному входу ПМ, а выход - к входу сумматора (С), подключенного к выходу ПМ через усилитель мощности (УМ).
(K-1)
Причем каждый n-ый ПМ содержит устройство адресации и управления фазовращателями (АУФ), вход которого соединен с управляющим входом ПМ, а выход - с управляющим входом каждого из М фазовращателей этого ПМ. УУ содержит N выходов, а подключение каждого n-го выхода УУ к управляющему входу n-го ПМ выполнено посредством соответствующего n-го кабеля управления (КУ), на входе и выходе которого установлены одни части хотя бы двух разъемных соединений. Другие части упомянутых разъемных соединений установлены соответственно на упомянутых n-ом выходе УУ и управляющем входе n-го ПМ. Разъемные соединения содержат адресные контакты, один из которых «общий», а остальные (К-1) - комбинируемые (N≤2), и управляющие контакты. При этом на одной из частей одного из этих разъемных соединений выполнена индивидуальная n-ая комбинация адресных контактов посредством замыкания на «общий» адресный контакт определенных из (К-1) комбинируемых адресных контактов (для этой комбинации), определяющая индивидуальный двоичный адрес этого n-го ПМ (и соответственно каждого из его фазовращателей) при функционировании собранной антенной решетки.
Предпочтительно, чтобы индивидуальная комбинация адресных контактов была выполнена на одной части одного из упомянутых разъемных соединений каждого из N КУ (установленных на входе или выходе КУ). То есть на одной из частей разъемных соединений (входном или выходном) каждого n-го кабеля на общий адресный контакт замкнуты определенные комбинируемые адресные контакты с получением индивидуальной n-ой комбинации адресных контактов. Адресация ПМ посредством КУ позволяет упростить монтаж сложных модулей (ПМ и УУ), исключить ошибки при назначении двоичного адреса.
Предпочтительно, чтобы УУ содержало дополнительные входы и/или выходы. Например, введение входа/выхода УУ позволяет изменять настройки его работы, изменять управляющий сигнал, вести передачу параметров работы АФАР.
Предпочтительно, чтобы антенная решетка была установлена на низкоорбитальном космическом аппарате, a N>M, что позволяет за счет уменьшения мощности сигнала значительно увеличить число обслуживаемых абонентов и повысить оперативность связи при ограниченном частотном ресурсе.
Предпочтительно, чтобы АФАР была установлена на высокоорбитальном космическом аппарате, a N<M, что позволяет при сохранении мощности АФАР значительно повысить качество доставляемого до абонентов сигнала без потери оперативности связи при ограниченном частотном ресурсе.
(К-1)
Реализация предлагаемого изобретения возможна с применением стандартных низкочастотных разъемов (например, блочные, кабельные разъемы с четкой нумерацией контактов). Индивидуальную n-ую комбинацию адресных контактов ПМ (АУФ) осуществляют следующим образом. Среди назначенных К адресных контактов один считают «общим», а остальные (К-1) - комбинируемыми. Осуществляют реализацию различных N двоичных комбинаций адресов (при возможности осуществления 2 различных комбинаций), замыкая определенные комбинируемые адресные контакты на общий перемычками. Так, для формирования адресов для не более 8-ми индивидуальных адресов ПМ требуется 4 адресных контакта, для не более 16-ти - 5 и т.д. Известные конструкции разъемов, применяющихся для передачи управляющей информации низкочастотными сигналами, позволяют выполнить соединения единственным способом, риск ошибок при замыкании адресных контактов минимальный и легко контролируемый.
Далее состав и работа многолучевой передающей АФАР будут описаны в одном из предпочтительных вариантов исполнения, а именно при выполнении индивидуальных комбинаций адресных контактов для адресации каждого ПМ на одной из частей разъемных соединений, установленных на соответствующих КУ (например, на выходе КУ для подключения к другой части разъемного соединения на управляющем входе ПМ),
Фиг. - функциональная схема многолучевой передающей активной фазированной антенной решетки в одном из предпочтительных вариантов исполнения.
Многолучевая передающая активная фазированная антенная решетка (далее - антенная решетка), функциональная схема которой приведена на Фиг., содержит М многоканальных делителей (Д) 1, входы которых образуют многоканальный вход антенной решетки, N передающих модулей 2 (ПМ), N излучателей 3 (ИЗЛ), образующих многолучевой выход антенной решетки, устройство управления 4 (УУ) и N кабелей управления 5 (КУ). Каждый из конструктивно автономных ПМ 2 содержит группу из М параллельных фазовращателей 6 (ФВ), сумматор 7 (С), усилитель мощности 8 (УМ) и устройство адресации и управления фазовращателями 9 (АУФ), реализованное в виде платы.
Информационные входы М параллельных ФВ 6 n-го ПМ 2 являются его m-ми высокочастотными информационными входами. Выход каждого упомянутого m-го ФВ 6 этой группы подключен к соответствующему n-му С 7, соединенному через n-ый УМ 8 с выходом n-го ПМ 2, а управляющий вход каждого m-го ФВ 6 - к выходу АУФ 9, вход которого является низкочастотным управляющим входом n-го ПМ 2.
К многоканальному выходу m-го делителя подключен (например, с помощью высокочастотного разъемного соединения) m-ый высокочастотный информационный вход n-го ПМ 2. Эти М входов образуют многоканальный высокочастотный информационный вход ПМ 2. Каждый n-ый ПМ 2 с подключенным к его выходу соответствующим n-ым ИЗЛ 3 образуют n-ый передающий канал антенной решетки. Каждый n-ый выход УУ 4 подключен к низкочастотному управляющему входу n-го ПМ 2 посредством соответствующего индивидуального n-го КУ 5 для задания каждому ПМ 2 индивидуального n-го электронного адреса при сборке устройства и передачи команд управления на его фазовращатели, адрес которых определен индивидуальным n-ым адресом ПМ 2. На входе и выходе n-го КУ 5 соответственно установлены одни части двух разъемных соединений. Другие (ответные) части этих соединений установлены соответственно на n-ом выходе УУ и управляющем входе n-го ПМ 2. То есть n-й выход УУ и управляющий вход n-го ПМ 2 подключены посредством двух разъемных соединений - между n-ым выходом УУ и входом n-го КУ, между выходом n-го КУ и входом n-го ПМ. Кроме того, в схеме предусмотрена подача необходимого напряжения питания на все элементы схемы, требующие питания
На частях разъемных соединений выходов УУ 4, низкочастотных входов всех плат АУФ 9, входов и выходов всех КУ 5 выделяют управляющие контакты (для передачи сигналов управления) и адресные контакты (для задания индивидуального двоичного адреса АУФ 9). Один из К адресных контактов «общий», остальные (К-1) комбинируемые. Необходимое количество адресных контактов определяют по числу N излучателей АФАР:
K-1
N≤2(), где К - количество адресных контактов.
Изготавливают N КУ 5 следующим образом. Выполняют индивидуальную n-ю комбинацию адресных контактов на одной из частей разъемных соединений каждого n-го КУ. Например, на выходе КУ в данной реализации изобретения. При этом определенные для каждой n-ой комбинации (К-1) комбинируемых адресных контактов перемычками замыкают на «общий». Для формирования, например, восьми различных индивидуальных адресов для восьми ПМ 2 выделяют хотя бы 4 адресных контакта. Управляющие контакты оставляют неизменными.
Изготавливают N ПМ 2 в виде конструктивно независимых модулей, выполненных с возможностью доступа внутрь их корпуса для замены отдельных фазовращателей. В отверстиях на стенках корпуса каждого модуля выведены части разъемных соединений: высокочастотных разъемов (информационный вход ПМ) для подключения многоканальных делителей, низкочастотных разъемов (управляющий вход ПМ), а так же соединения для подключения излучателя, которые могут быть как разъемными (посредством коаксиальных СВЧ-кабелей), так и неразъемными. ПМ 2 имеют одинаковый первоначальный электронный адрес (например, все адресные контакты приняты за «1» или «0», перемычек на «общий» нет). Проводят проверку и регулировку ПМ 2. При этом нет необходимости настройки регулировочного оборудования при смене модулей.
Собирают антенную решетку.
Подключают N-канальные выходы m-ых Д 1 к соответствующим m-ым входам n-ых ПМ 2 посредством коаксиальных СВЧ-кабелей. Подключают УУ 4 ко всем ПМ 2, соединяя соответствующие управляющие и адресные контакты на n-ом выходном разъеме УУ 4 и входном разъеме n-го КУ 5, а также на выходном разъеме n-го КУ 5 (с n-ой коммутацией комбинируемых контактов на «общий») и входном разъеме n-го АУФ 6. То есть любой отрегулированный ПМ 2 при его установке в конкретное место АФАР в процессе сборки либо при ремонте, подключенный определенным КУ 5 будет иметь конкретный индивидуальный адрес, обусловленный индивидуальной коммутацией адресных контактов этого кабеля. Таким образом, подключая к УУ все ПМ индивидуальными КУ, задают индивидуальные двоичные адреса всем ПМ. Выход каждого n-го ПМ 2 подключают к соответствующему n-му ИЗЛ 3.
Описание работы.
Антенная решетка начинает функционировать при подаче необходимого напряжения питания на все элементы схемы, требующие питания.
УУ 4 предназначено для управления и синхронизации работы подключенных к нему устройств, а через них и АФАР в целом, функционирует на программируемых устройствах и реализует заложенные в него алгоритмы формирования лучей в каждом фазовращателе в соответствии с его индивидуальным рабочим адресом. Сформированные управляющие сигналы передают на управляющие контакты всех выходов УУ 4. Кроме того подают сигнал «лог 1» на «общий», «лог 0» - на остальные адресные контакты каждого из N выходов УУ 4. Управляющие сигналы поступают в каждый из ПМ 2 (АУФ 9) через управляющие контакты его низкочастотного входа. Кроме того, благодаря индивидуальной коммутации адресных контактов на одном из разъемов каждого КУ 5 в соответствующий ПМ 2 (АУФ 9) на адресные контакты, кроме «общего», подают индивидуальную двоичную комбинацию «лог 1» и «лог 0», определяющую соответствующий индивидуальный электронный адрес этого ПМ 2 (АУФ 9). При этом в АУФ 9, функционирующем на программируемых устройствах, считывают этот адрес либо при необходимости, либо периодически, либо при каждом включении АФАР. Таким образом, двоичный индивидуальный электронный адрес каждому ПМ 2 присваивают подключением его управляющего входа к соответствующему выходу УУ 4 посредством индивидуального КУ 5 и постоянной (либо периодической) подачей «лог 1» на «общий» и «лог 0» на остальные адресные контакты этого КУ 5 в функционирующей АФАР.
По заданному в УУ 4 алгоритму работы из поступающего на управляющие контакты всех АУФ 9 общего потока управляющих сигналов в каждом АУФ 9 в соответствии с его рабочим индивидуальным адресом распознают и выделяют для дальнейшей работы предназначенную этому АУФ 9 часть этого потока данных. Структура каждой части в потоке, например, такая: «начало», «индивидуальный электронный адрес ПМ 2», «информация для установки определенных ФВ 6 этого ПМ 2», «конец». Согласно принятому алгоритму АУФ 9 формирует индивидуальные программы управления фазовым распределением фазовращателей (фазовые программы) для необходимой коррекции настроек определенных m-ых ФВ 6 в «своей» n-ой группе.
Сигнал СВЧ-диапазона поступает на высокочастотный вход АФАР (на М N-канальных Д 1) и далее - в соответствующие N передающих каналов (из ПМ 2 и ИЗЛ 3). В каждом канале поступающие информационные высокочастотные сигналы фазируют настроенными М параллельными ФВ 6 n-ой группы, суммируют n-ым С 7, усиливают n-ым УМ 8 и передают через n-ый ИЗЛ 3. При этом свойства исходящих лучей могут быть различными, зависят от назначения конкретного исполнения АФАР и зависят от характеристик входящих в нее элементов (Д 1, ИЗЛ 3, УУ 4, ФВ 6, С 7, УМ 8, АУФ 9), от поступающей на Д 1 информации (одинаковая или различная, на одной частоте либо на различных частотах одного диапазона) и т.д. Все перечисленное не является предметом настоящей заявки, поэтому подробно не описывается.
Несмотря на то, что предлагаемое в качестве изобретения техническое решение многолучевой передающей активной фазированной антенной решетки 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, каждое разъемное соединение может быть конструктивно выполнены в виде как одного, так и двух разъемов (для объединения в этих разъемах адресных и управляющих контактов).
Таким образом, несмотря на необходимость незначительного увеличения количества контактов в выходных разъемах УУ 4, разъемах КУ 5 и управляющих разъемах АУФ 9 для выделения дополнительных постоянно задействованных адресных контактов, достигаемый в предлагаемом изобретении технический результат позволяет значительно уменьшить затраты на изготовление, настройку, ремонт и обслуживание АФАР.