АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗМЕЩЕНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к антенной технике и может использоваться в системах радиопеленгации и радиосвязи.
Известна активная фазированная антенная решетка (АФАР), с размещением элементов на поверхности сферы [Пат. RU №2488924].
Трудности практической реализации конформных антенных систем состоят в необходимости коммутации излучающего раскрыва и неэффективном использовании поверхности раскрыва [1, 2]. Кроме того, размещение элементов на выпуклой поверхности не приводит к снижению уровня бокового излучения. В современных радиотехнических системах допустимый уровень боковых лепестков составляет -20…-25 дБ. Для достижения такого уровня в конформных АФАР применяется спадающее к краям апертуры амплитудное распределение, что существенно снижает энергетический потенциал. Вышеперечисленные недостатки отсутствуют в пространственных антенных решетках. В соответствии с принятой терминологией [3], трехмерные (пространственные) антенные решетки представляют собой системы из двух параллельно расположенных в пространстве плоскостных решеток. Можно распространить это определение систему концентрических сферических антенных решеток, а также на элемент этой системы - кольцевую концентрическую антенную решетку [4-6]. Такая антенная решетка представляет собой пространственную антенную решетку с одномерным сканированием в азимутальной плоскости, образованную расположением плоских кольцевых антенных решеток в пространстве.
Известна активная кольцевая фазированной антенной решетки (АКФАР), содержащая циркуляторы, приемопередающие модули, делители-сумматоры и приемопередатчики [7]. АКФАР состоит из трех сегментов, формирующих три луча под углом 120° друг к другу, каждый из которых содержит N плоских активных фазированных антенных субрешеток, представляющих собой радиолокационные модули (РЛМ), расположенные вплотную друг к другу по внешней кольцевой поверхности антенны. Каждый РЛМ содержит 21 антенных элементов (АЭ), которые через соответствующий циркулятор соединены с соответствующей приемопередающей ячейкой, передатчик и приемник которой содержат электрически управляемые фазовращатели.
Известна кольцевая антенная решетка (КАР), реализующая обзор пространства в плоскости решетки (азимутальной плоскости) 360°, представляет из себя набор излучателей нулевого уровня с размерами раскрыва больше половины длины волны, расположенных попарно один возле другого и развернутых в плоскости решетки на некоторый угол относительно друг друга, т.е. их раскрывы располагаются вдоль кривой второго порядка, которая в частном случае может быть окружностью [8]. Особенностью построения структуры КАР является то, что излучатель любого уровня (кроме нулевого) построен по одинаковой схеме. Механизм формирования структуры поля в аппертуре элемента любого уровня (кроме нулевого) совершенно одинаков, а различаются они только граничными условиями.
Известна также АФАР [9], позволяющая существенно увеличить расстояние между излучателями, не ухудшив направленные свойства при сканировании, а следовательно, и характеристики разрешения всей радиосистемы. Однако, в рассматриваемой схеме построения антенной решетки, излучатели размещаются только на нескольких внешних кольцах большого радиуса и не заполняют апертуру. Это приводит к сравнительно высокому уровню боковых лепестков.
Известна фазированная антенная решетка, позволяющая уменьшить число фазовращателей за счет оптимизации фазового распределения в распределительной системе [10].
Наиболее близким аналогом является фазированная антенная решетка [4]. Кольцевая концентрическая антенная решетка представляет собой систему излучателей, размещенных с некоторым шагом на концентрических окружностях. При формировании луча в плоскости размещения элементов, такую антенную решетку можно рассматривать как пространственную цилиндрическую антенную решетку. Подробное описание аналога приводится на стр.14 в работе [4]. Однако она имеет следующие недостатки: низкий энергетический потенциал и сложную распределительную систему. В современных бортовых антенных системах уровень бокового и обратного излучения не должен превышать -20дБ при достаточно жестких требованиях к энергетическим и массогабаритным характеристикам. Размеры раскрыва таких систем определяются размерами поперечного сечения летательного аппарата (ЛА). Использование спадающего амплитудного распределения для уменьшения УБЛ приводит к сильному уменьшению усиления антенной решетки. Поэтому требуется разработка оптимальной структуры антенного полотна и распределительной системы.
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение энергетического потенциала антенной решетки при низком УБЛ -20дБ. Техническая задача решается путем пространственного размещения элементов в антенной решетке с равномерным амплитудным распределением, поэтому коэффициент использования поверхности апертуры получается максимальным и равным единице. При этом максимальные значения принимают коэффициент направленного действия и энергетический потенциал. Для достижения такого же значения УБЛ в плоской решетке применяется спадающее к краям амплитудное распределение, которое существенно снижает энергетический потенциал.
Поставленная задача достигается тем, что в активной фазированной антенной решетке с пространственным размещением элементов, содержащей излучатели, размещенные над экраном или в свободном пространстве, и соединенные соответственно с приемо-передающими модулями, отличающейся тем, что излучатели размещены на двух параллельно расположенных в пространстве плоскостных подрешетках, при этом минимальное расстояние между подрешетками составляет четверть длины волны и структура размещения излучателей в отдельной подрешетке прямоугольная, а в системе из двух подрешеток гексагональная. Такое разнесение излучателей в пространстве обеспечивает снижение уровня бокового излучения при сохранении энергетического потенциала.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема размещения излучающих элементов в прототипе; на фиг. 2 приведена схема размещения излучателей в заявляемой АФАР; на фиг. 3 - структурная схема активного модуля, совмещенного с антенной решеткой; на фиг. 4 - приведены диаграммы направленности (ДН) пространственной антенной решетки в плоскости ступеньки. На фиг. 5 а, 6 - приведены электродинамические модели пространственных антенных решеток с прямоугольной и круглой апертурой. На фиг. 6 а, 6 представлены ДН электродинамической модели, показанной на фиг. 5а в секторе углов и вблизи главного максимума соответственно.
Активная фазированная антенная решетка содержит экран 1, размещенные над экраном излучатели 2 (фиг. 2) на двух подрешетках 3 и 4 соответственно (фиг. 2). Подрешетки смещены по высоте на некоторое расстояние h (фиг. 2). Уровень бокового излучения зависит от значения параметра h. Минимальная высота ступеньки, при которой уменьшается уровень боковых лепестков, составляет четверть длины волны. Излучатели в подрешетках 3 и 4 размешаются в узлах прямоугольной сетки, но при наложении подрешеток друг на друга получается гексагональная сетка размещения излучателей.
Каждый из излучателей 2 размещен над экраном 1 в составе подрешеток 3 и 4 и соединен с приемо-передающим модулем (ППМ) 5 (фиг. 3), в который входят: цикулятор 6 (фиг. 3), усилитель 4 (фиг. 3) передающего канала, малошумящий усилитель 8 (фиг. 3) приемного канала, блок цифровой обработки 9 (фиг. 3) передающего канала, блок цифровой обработки 10 (фиг. 3) приемного канала, генератор 11 (фиг. 3), приемник - 12 (фиг. 3), блок синхронизации - 13 (фиг. 3). Каждый из приемо-передающих модулей 3 выполнен с возможностью цифровой обработки сигнала на несущей частоте, осуществляемой в блоках 9 и 10, которые, в данном случае, включены непосредственно на выходе передающего канала и на входе приемного канала.
Активная фазированная антенная решетка работает следующим образом. Сигналы от генератора 11 подаются на блок цифровой обработки 10. В блоке цифровой обработки 10 сигналы оцифровываются и путем последовательных преобразований, после прохождения цифровых линий задержки, получают необходимые для формирования ДН амплитуды и фазы. Затем в усилителе 9 сигналы усиливаются и подаются через циркулятор 6 на соответствующий элемент антенной решетки 2. В режиме приема сигнал, принятый соответствующим элементом 2 подается через циркулятор 6 на вход малошумящего усилителя 8, усиливается до необходимого для цифровой обработки уровня и подается на вход блока цифровой обработки 10. В блоке цифровой обработки 10 сигнал оцифровывается и с помощью цифровых линий задержки к сигналу в канале каждого излучателя 2 добавляется фазовый сдвиг, необходимый для приема сигнала эквивалентной апертурой данной антенной решетки. Затем сигналы суммируются в блоке 10 с соответствующими весовыми коэффициентами. После цифровой обработки сигнал передается на вход приемника 12. Синхронизация оцифрованных сигналов всех элементов антенной решетки осуществляется блоком синхронизации 13.
Излучатели 2 размещаются над экраном 1 на двух подрешетках в узлах прямоугольной или гексагональной сетки. При этом получается пространственная антенная решетка, образованная изгибом излучающего раскрыва по ступенчатому закону. ДН такой антенны формируется плоскости, ортогональной плоскости размещения элементов, а цифровая обработка существенно упрощает структуру распределительной системы. Уменьшение УБЛ в таких ребристых структурах зависит от высоты ступеней h (фиг. 2). Минимальный перепад составляет четверть длины волны, но для наиболее эффективного подавления бокового излучения перепад размещения элементов может составлять несколько длин волн. На рис. 4: 1 - ДН плоской антенной решетки с гексагональной структурой, 2 - ДН антенной решетки с гексагональной структурой при высоте изгиба h=1,5λ, 3 - ДН антенной решетки с гексагональной структурой при высоте изгиба h=2,5λ. На фиг. 5 представлены две электродинамические модели пространственных антенных решеток.
Таким образом, разработана активная фазированная антенная решетка с широкоугольным сканированием, обеспечивающая высокий энергетический потенциал за счет пространственного размещения элементов и цифровой обработки сигнала. Источники информации:
1. Пат. RU №2488924
2. Воскресенский Д.И., Пономарев Л.И., Филипов B.C. Выпуклые сканирующие антенны / Д.И. Воскресенский. - М.: Сов. радио, 1978. - 304 с.
3. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л. Антенны и устройства СВЧ (конспект лекций) - М.: МАИ, 1974. - 240 с.
4. Овчинникова Е.В. Кольцевые концентрические антенные решетки с широкоугольным сканированием. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, МАИ, 2003.
5. Д.И. Воскресенский, Е.В. Овчинникова. Широкополосные антенны с широкоугольным неискаженным сканированием. - Антенны, 1999, №1 (42).
6. «Активные фазированные антенные решетки» / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004.
7. Пат. RU №2389111
8. Пат. RU №2093936
9. Пат. RU №2310956
10. Пат. RU №2282921