УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЛАНАРНЫХ ПЕРЕКРЫВАЮЩИХСЯ ПОДРЕШЕТОК С КОНТУРНЫМИ ДИАГРАММАМИ НАПРАВЛЕННОСТИ
EXCITATION DEVICE OF PLANAR OVERLAPPING SUBARRAYS WITH CONTOUR DIRECTIONAL DIAGRAMS

Изобретение относится к фазированным антенным решеткам (ФАР), а более конкретно к планарным перекрывающимся подрешеткам с контурными диаграммами направленности.
Известно устройство возбуждения планарных перекрывающихся подрешеток, содержащее излучатели, делители мощности и направленные ответвители. Работа устройства основана на использовании каскадного соединения линейных перекрывающихся подрешеток, расположенных перпендикулярно друг другу (Скобелев С.П. Фазированные антенные решетки с секторными парциальными диаграммами направленности. М: Физматлит, 2010, рисунок 2.11).
Недостатками известного излучателя является существенное (почти в два раза) увеличение продольного размера ФАР.
Известно устройство возбуждения планарных перекрывающихся подрешеток, содержащее делитель мощности, блок смешения сигналов, излучатели и направленные ответвители (патент US 9374145, опубл. 21.06.2016).
Данный известный излучатель принят в качестве ближайшего аналога к заявленному многослойному печатному излучателю.
Недостатками известного излучателя является то, что формирование контурных диаграмм направленности с плоскими вершинами достигается только ценой некоторого снижения уровня плоской вершины в направлениях вблизи нормали к плоскости апертуры (в частности, по сравнению с аналогом) и снижения коэффициента использования поверхности (КИП) (Skobelev S. P. Some features of the overlapped subarrays built up of beam-forming matrices for shaping flat-topped radiation patterns. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2015. V. 63. №12. P. 5529-5535).
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является создание устройство возбуждения планарных перекрывающихся подрешеток с контурными диаграммами направленности, лишенного указанных недостатков.
В результате достигается технический результат, заключающийся в формировании контурной диаграммы направленности с плоской вершиной с повышенным значением КИП при сохранении продольного размера ФАР.
Указанный технический результат достигается созданием устройства возбуждения планарных перекрывающихся подрешеток с контурными диаграммами направленности, содержащего делитель мощности, блок смешения сигналов, излучатели и направленные ответвители. Вход делителя мощности выполнен с возможностью соединения с управляющим устройством. Центральный выход делителя мощности напрямую соединен с центральным входом блока смешения сигналов. Каждый из шести периферийных выходов делителя мощности соединен с первым входным портом соответствующего направленного ответвителя, первый выходной порт которого соединен с соответствующим входом блока смешения сигналов, второй его входной порт соединен с выходом соответствующего периферийного выхода соседнего делителя мощности, а второй выходной порт - с соответствующим периферийным входом соседнего блока смешения сигналов. Коэффициенты связи между перекрестными портами каждого из шести указанных направленных ответвителей равны и находятся в диапазоне от 0.33 до 0.48. Блок смешения сигналов выполнен с возможностью подачи сигнала напрямую с центрального входа на центральный выход. Первый периферийный вход блока смешения сигналов соединен с первым входным портом первого направленного ответвителя, первый выходной порт которого соединен со вторым входным портом пятого направленного ответвителя, второй выходной порт которого соединен с первым периферийным выходом блока смешения сигналов. Третий периферийный вход блока смешения сигналов соединен с первым входным портом третьего направленного ответвителя, первый выходной порт которого соединен со вторым входным портом первого направленного ответвителя, второй выходной порт которого соединен с третьим периферийным выходом блока смешения сигналов. Пятый периферийный вход блока смешения сигналов соединен с первым входным портом пятого направленного ответвителя, первый выходной порт которого соединен со вторым входным портом третьего направленного ответвителя, второй выходной порт которого соединен с пятым периферийным выходом блока смешения сигналов. Второй периферийный вход блока смешения сигналов соединен с первым входным портом второго направленного ответвителя, первый выходной порт которого соединен со вторым входным портом шестого направленного ответвителя, второй выходной порт которого соединен со вторым периферийным выходом блока смешения сигналов. Четвертый периферийный вход блока смешения сигналов соединен с первым входным портом четвертого направленного ответвителя, первый выходной порт которого соединен со вторым входным портом второго направленного ответвителя, второй выходной порт которого соединен с четвертым периферийным выходом блока смешения сигналов. Шестой периферийный вход блока смешения сигналов соединен с первым входным портом шестого направленного ответвителя, первый выходной порт которого соединен со вторым входным портом четвертого направленного ответвителя, второй выходной порт которого соединен с шестым периферийным выходом блока смешения сигналов. Коэффициенты связи между перекрестными портами первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого направленных ответвителей равны и находятся в диапазоне от 0.33 до 0.48. Излучатели сгруппированы в семиэлементные модули, таким образом, что один излучатель расположен в центре шестиугольника, а шесть других - в его вершинах. Центральный выход блока смешения сигналов соединен с излучателем, расположенным в центре шестиугольника, а каждый из периферийных выходов блока смешения сигналов соединен с соответствующим излучателем, расположенным в вершине упомянутого шестиугольника.
На фигуре 1 изображен общий вид устройства возбуждения планарных перекрывающихся подрешеток с контурными диаграммами направленности.
На фигуре 2а изображено схематическое расположение направленных ответвителей, связывающих соседние подрешетки.
На фигуре 2б изображена схема направленного ответвителя.
На фигурах 3а и 3б изображена структурная схема блока смешения сигналов.
На фигурах 4а и 4б изображено схематическое расположение излучателей в планарной решетке по частным вариантам исполнения.
На фигуре 5 изображено амплитудное распределение сигналов возбуждения по излучателям в подрешетке.
На фигуре 6 изображена контурная карта уровней нормированного множителя подрешетки при отсутствии связей между подрешетками.
1
На фигуре 7 изображена контурная карта уровней нормированного множителя подрешетки, соответствующая наличию связей между модулями при q=0.45 и q=0.36.
На фигуре 8 изображена зависимость нормированного множителя подрешетки в горизонтальной и вертикальной плоскостях для прототипа и заявленного изобретения.
На фигуре 9 изображена зависимость нормированного множителя подрешетки в горизонтальной и вертикальной плоскостях при отсутствии и наличии связей между подрешетками.
Устройство возбуждения планарных перекрывающихся подрешеток с контурными диаграммами направленности, показанное на фигурах 1-4, содержит делитель мощности 1, блок смешения сигналов 2, излучатели 3а, 3b, 3с, 3d, 3е, 3f, 3g и направленные ответвители 4а, 4b, 4с, 4d, 4е, 4f.
Вход 5 делителя мощности 1 выполнен с возможностью соединения с управляющим устройством (на фигурах не показано). Управляющее устройство обеспечивает подачу на вход 5 сигнала с определенной амплитудой и фазой.
Центральный выход 1g делителя мощности 1 напрямую соединен с центральным входом (на фигурах не показан) блока смешения сигналов 2.
1
1
2
1
2'
2
1'
Каждый из шести периферийных выходов 1a-1f делителя мощности 1 соединен с первым входным портом соответствующего направленного ответвителя (в частности, 1а с 4а, остальные на фигурах не показаны, чтобы их не перегружать), первый выходной порт которого соединен с соответствующим входом блока смешения сигналов (в частности, 4а, с 2а, остальные на фигурах не показаны, чтобы их не перегружать). Второй входной порт каждого из упомянутых направленных ответвителей соединен с соответствующим периферийным выходом соседнего делителя мощности (соседние (относящиеся к соседним подрешеткам) делители мощности 6, 7, 8, 9, 10, 11). В частности, второй входной порт 4а направленного ответвителя 4а соединен с выходом 8d соседнего делителя мощности 8, остальные позиции на фигурах не показаны, чтобы их не перегружать. Второй выходной порт соединен с соответствующим периферийным входом соседнего блока смешения сигналов (входы соседних блоков смешения сигналов на фигурах не показаны, чтобы их не перегружать). Коэффициенты связи между перекрестными портами (в частности 4a и 4а, 4а и 4а) шести указанных направленных ответвителей 4а, 4b, 4с, 4d, 4е, 4f равны между собой и находятся в диапазоне от 0.33 до 0.48.
Выбор пар периферийного выхода делителя мощности 1 периферийного выхода соседнего делителя мощности, между которыми устанавливаются направленные ответвители выполняется следующим образом. Берется периферийный выход делителя мощности 1 (например 1а), определяются такие же выходы на соседних делителях мощностях (см. фиг. 2, такие же периферийные выходы обозначены как 6а, 7а, 8а, 9а, 10а, 11а). По этим выходам определяются диаметрально противоположные (расположенные симметрично относительно центрального выхода) выходы (6d, 7d, 8d, 9d, 10d, 11d). Из них выбирается ближайший выход (для периферийного выхода 1а таким ближайшим выходом будет 8 г). Результат такого выбора показан на фиг. 2а.
Блок смешения сигналов 2, изображенный на фигурах 3а и 3б выполнен с возможностью подачи сигнала напрямую с центрального входа на центральный выход с помощью передающей линии (на фигурах не обозначена).
Блок смешения сигналов 2 включает первый 18, второй 19, третий 20, четвертый 21, пятый 22 и шестой 23 направленные ответвители.
1
1
2
1'
1
1'
2
2'
1
1'
2
2'
Первый периферийный вход 2а блока смешения сигналов 2 соединен с первым входным портом 18 первого направленного ответвителя 18, первый выходной порт 18' которого соединен со вторым входным портом 22 пятого направленного ответвителя 22, второй выходной порт 22 которого соединен с первым периферийным выходом 2а' блока смешения сигналов 2. Третий периферийный вход 2 с блока смешения сигналов соединен с первым входным портом 20 третьего направленного ответвителя 20, первый выходной порт 20 которого соединен со вторым входным портом 18 первого направленного ответвителя 18, второй выходной порт 18 которого соединен с третьим периферийным выходом 2с' блока смешения сигналов 2. Пятый периферийный вход 2е блока смешения сигналов 2 соединен с первым входным портом 22 пятого направленного ответвителя 22, первый выходной порт 22 которого соединен со вторым входным портом 20 третьего направленного ответвителя 20, второй выходной порт 20 которого соединен с пятым периферийным выходом 2е' блока смешения сигналов 2.
1
1'
2
2'
1
1'
2
2'
1
1'
2
2'
Второй периферийный вход 2b блока смешения сигналов 2 соединен с первым входным портом 19 второго направленного ответвителя 19, первый выходной порт 19 которого соединен со вторым входным портом 23 шестого направленного ответвителя 23, второй выходной порт 23 которого соединен со вторым периферийным выходом 2b' блока смешения сигналов 2. Четвертый периферийный вход 2d блока смешения сигналов 2 соединен с первым входным портом 21 четвертого направленного ответвителя 21, первый выходной порт 21 которого соединен со вторым входным портом 19 второго направленного ответвителя 19, второй выходной порт 19 которого соединен с четвертым периферийным выходом 2d' блока смешения сигналов 2. Шестой периферийный вход 2f блока смешения сигналов 2 соединен с первым входным портом 23 шестого направленного ответвителя 23, первый выходной порт 23 которого соединен со вторым входным портом 21 четвертого направленного ответвителя 21, второй выходной порт 21 которого соединен с шестым периферийным выходом 2f блока смешения сигналов 2.
1
2'
2
1'
1
2'
2
1'
Коэффициент связи между перекрестными портами (18 и 18, 18 и 18, 19 и 19, 19 и 19 и т.д.) первого 18, второго 19, третьего 20, четвертого 21, пятого 22 и шестого 23 направленных ответвителей равны и находятся в диапазоне от 0.33 до 0.48.
Излучатели 3a-3g сгруппированы в семиэлементные модули, таким образом, что один излучатель (3g) расположен в центре шестиугольника, а шесть других - в его вершинах. Центральный выход блока смешения сигналов 2 соединен с излучателем 3g, расположенным в центре шестиугольника, а каждый из периферийных выходов блока смешения сигналов соединен с соответствующим излучателем, расположенным в вершине упомянутого шестиугольника (2а' с 3а, 2b' с 3b, 2с' с 3с, 2d' с 3d, 2е' с 3е и 2f' с 3f).
Заявленное устройство возбуждения планарных перекрывающихся подрешеток с контурными диаграммами направленности работает следующим образом.
На вход 5 делителя мощности 1 с управляющего устройства подается сигнал необходимой амплитуды и фазы. Конкретные значения амплитуды и фазы выбираются исходя из получения требуемой диаграммы направленности, создаваемой всей фазированной антенной решетки, в состав которой входит подрешетка.
Делитель мощности разделяет входящий сигнал на семь равных частей, подаваемых на центральный выход 1g и периферийные выходы 1a-1f делителя мощности 1.
Сигнал с центрального выхода делителя мощности 1g с помощью линии передачи сигнала подается через блок смешения сигналов 2 (где не смешивается с другими сигналами) на центральный излучатель 3g.
Сигнал с каждого из периферийных выходов 1a-1f с помощью линии передачи сигнала подается сначала на входной порт направленного ответвителя (4a-4f соответственно), где смешивается с сигналом, поступающим с соответствующего выхода соседнего делителя мощности, а потом на соответствующий вход (2a-2f) блока смешения сигналов 2.
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1/2
2
1/2
На фигуре 2б представлена схема направленного ответвителя, где q -коэффициент связи между перекрестными портами и р=(1-q). При подаче сигнала амплитудой 1 на один из входных портов, на перекрестном выходном порту будем иметь сигнал i q (фаза сигнала смещена относительно сигнала на входном порту на 90 градусов), а на прямом выходном порту будем иметь сигнал р=(1-q) (в дальнейшем обозначения р и q относятся к направленным ответвителям 4а-4а, а обозначения р и q относятся к направленным ответвителям 18, 19, 20, 21, 22, 23).
В блоке смешения сигналов 2 сигналы, поступающие на периферийные входы 2а, 2с и 2е смешивается между собой с помощью трех направленных ответвителей 18, 20 и 22. А сигналы, поступающие на периферийные входы 2b, 2d и 2f смешивается между собой с помощью трех направленных ответвителей 19, 21 и 23. После этого сигналы с периферийных выходов 2а'-2f' поступают на излучатели 3a-3f.
1
2
2
2
1
2
3
1
2
2
3
3
1
1
2
3
2
1/2
Определим коэффициенты связи между входами 2a-2f и выходами блока смешения 2. Пусть сигнал единичной амплитуды приходит на вход 2а блока смешения сигналов (см. фиг. 3б) и далее на входной порт 18 первого направленного ответвителя 18. В результате прохождения сигнала через ответвители 18, 20, 22, на входах 18, 20 и 22 ответвителей 18, 20 и 22 соответственно появятся сигналы с амплитудами В, В и В, (также указанные на фиг. 3б). Используя матрицу передачи направленных ответвителей (см. фиг. 2б), можем определить, что указанные амплитуды связаны между собой и с единичной амплитудой сигнала, поступающего на вход 2а соотношениями В=р+iqB, В=iqB, В=iqB, где q - коэффициент связи между перекрестными портами и p=(1-q). Представленные соотношения не учитывают одинаковый для них множитель, соответствующий прохождению сигнала по линиям передачи, соединяющим соседние ответвители (но для дальнейшего расчета этот множитель не важен). Выражая В, В и В, получим:
1
2
3
Используя снова параметры ответвителей 18, 20, 22 и найденные амплитуды В, В и B, получим амплитуды сигналов, поступивших на периферийные выходы 2а', 2с' и 2е' блока смешения 2:
1
2
3
Заметим, что если подать сигналы единичной амплитуды на все три периферийных входа 2а, 2с и 2е одновременно, то амплитуды сигналов на периферийных выходах 2а', 2с' и 2е' окажутся одинаковыми и равными сумме амплитуд С+С+С:
Аналогичные выражения получаются и для другой тройки связанных входов 2b, 2d и 2f блока смешения 2.
Полученные коэффициенты связи между периферийными входами 2а, 2b, 2с, 2d, 2е, 2f и периферийными выходами 2а', 2b', 2с', 2d', 2е' и 2f', позволяют рассчитать амплитудное распределение сигналов по излучателям 3a-3g подрешетки и множитель подрешетки.
Предположим, что амплитуды сигналов на шести периферийных 1a-1f выходах делителя мощности 1 равны единице. Далее эти сигналы проходят через направленные ответвители 4a-4f, блок 3, содержащий направленные ответвителя 18-23, и поступают в излучатели 3a-3f. В результате, в раскрыве подрешетки формируется симметричное амплитудное распределение, показанное на фиг. 5, где незаполненные круги соответствуют невозбужденным излучателям.
1
1
1'
1
1'
Амплитуды А соответствуют сигналам, прошедшим между прямыми портами направленных ответвителей 4a-4f (4а-4a, 4b-4b и т.д.), и равномерному возбуждению входов блока смешения сигналов 2 (обеспечиваемому равенством коэффициентов связи между перекрестными портами направленных ответвителей 4a-4f.
2
1
2'
1
2'
Амплитуды А соответствуют прохождению сигналов между перекрестными портами направленных ответвителей 4 (4а-4а,4b-4b и т.д.), а также прохождению
через соседний бок смешения сигналов(12, 13, 14, 15, 16, 17) по пути аналогичному пути 2а-2а' в блоке смешения сигналов 2 (см. фиг. 3б):
3
4
1
2'
1
2'
3
4
Амплитуды А, и А также соответствую прохождению сигналов между перекрестными входами ответвителей 4 (4а-4а, 4b-4b и т.д.), а также прохождению через соседний бок смешения сигналов(12, 13, 14, 15, 16, 17) по пути аналогичному путям 2а-2с' (для амплитуды A) и 2а-2е' (для амплитуды А) в блоке смешения сигналов 2 (см. фиг. 3б):
0
1
1
Комплексная амплитуда А сигнала в центральном излучателе 3g подрешетки определяется только делителем мощности 1 и длиной линии передачи от центрального выхода lg делителя мощности 1 до центрального излучателя 3g. Эта амплитуда определяется следующими соображениями. Если все входы делителей мощности решетки (которая состоит из подрешеток) возбуждаются равномерно, а амплитуды сигналов на всех периферийных выходах делителей мощности равны единице, то все входы блоков смесителей сигнала будут возбуждаться равномерно сигналами с амплитудой p+iq. Следовательно, амплитуды сигналов на выходах блоков смешения сигналов и на входах излучателей, подключенным к ним, будут определяться формулой
где
1
1
Ф=arctan(q/р)+arctanq.
0
1
1
Естественный выбор, соответствующий обеспечению равномерного амплитудного распределения сигналов по всем излучателям решетки, включая центральные, соответствует тому, что А должна быть равна амплитуде , модуль которой равен единице. Отсюда следует то требование к делителю мощности 1, что он должен обеспечивать равномерное деление входного сигнала на все семь его выходов 1а-11g. Необходимая фаза сигнала, поступающего на центральные излучатели каждого модуля, должна быть согласована с фазой Ф=arctan(q/p)+arctanq либо путем подбора длины передающей линии от центрального выхода 1g делителя мощности 1 до излучателя 3g, либо установкой фиксированного фазовращателя в указанной линии.
Определив амплитудное распределение сигналов по излучателям подрешетки, показанное (фиг. 5), легко рассчитать множитель подрешетки, определяемый формулой
где U=kau, V=kbν, k=2π/λ - волновое число, u=sinθcosϕ ν=sinθsinϕ - направляющие косинусы точки наблюдения, характеризуемой углом θ, отмеряемым от нормали к раскрыву, и углом ϕ, отмеряемым от оси х.
1
1
1
1
1
1
Результаты расчета модуля множителя подрешетки f(u,ν), нормированного на его максимум, равный 7, представленные на фиг.6а, для решетки с а=0.7λ и  что соответствует гексагональной сетке расположения излучателей (см. фиг. 4а). В случае отсутствия связи между подрешетками, реализуемом при q=0, возбуждаются излучатели только центрального модуля сигналами одинаковой амплитуды. Карта уровней нормированного множителя подрешетки |f(u,ν)|/7, соответствующая указанному случаю, показана на фиг. 6. Наличие связи между подрешетками (при q>0) приводит к образованию перекрывающихся подрешеток. Исследование влияния параметров q и q на форму множителя подрешетки показало, что при 0.33<q, q<0.48, 0.33<q, q<0.48 формируется плоская вершина множителя подрешетки, требуемая в оптимальных ФАР, предназначенных для сканирования в узкой угловой области пространства. Пример карты уровней нормированного множителя подрешетки с такой вершиной, полученной при q=0.45 и q=0.36, показан на фиг. 7. Сравнивая результаты на фигурах 6 и 7, видно, что область, ограниченная, например, линией уровня 0.9, оказывается заметно шире для случая ФАР с перекрывающимися подрешетками.
1
Сечения модуля множителя подрешетки, соответствующего горизонтальной и вертикальной плоскостях для прототипа и заявленного изобретения (при q=0.45 и q=0.36) показаны на фиг. 8.
Сечения модуля множителя подрешетки, соответствующего рассматриваемым случаям перекрывающихся и неперекрывающихся подрешеток в вертикальной и горизонтальной плоскостях, показаны на фиг. 9.
Сравнение полученных здесь результатов с множителем подрешетки, соответствующим применению схемы из прототипа для межэлементных расстояний, указанных выше, показывает, что предлагаемая здесь схема обеспечивает 100% эффективность раскрыва в направлении нормали (и, следовательно, максимальный КИП) и тем самым более высокий уровень множителя подрешетки по сравнению с прототипом.