САМОЛЕТНАЯ МНОГОДИАПАЗОННАЯ АФАР С УПРАВЛЯЕМЫМ ЛУЧОМ НА ИЗЛУЧЕНИИ И МНОГОЛУЧЕВЫМ ПРИЕМОМ СИГНАЛА
AIRCRAFT MULTIRANGE AESA WITH RADIATION CONTROLLED BEAM AND MULTIBEAM RECEPTION OF SIGNAL

Предлагаемое техническое решение относится к антенным системам направленного излучения и приема, активным фазированным антенным решеткам (АФАР).
Наиболее эффективно предлагаемое техническое решение может быть использовано для многолучевого приема в пределах кругового пространства в азимутальной плоскости активного запросного сигнала и скрытой (узким лучом) передачи данных в направлении запроса в условиях размещения АФАР на самолете.
Известны аналоги предлагаемого технического решения, обеспечивающие частичное достижение поставленной цели: многолучевая ФАР [1] и ФАР [2]. ФАР [2] позволяет формировать сканирующий в одной плоскости луч.
Многолучевая ФАР [1], содержащая излучатели и амплитудно-фазовую формирующую систему (типа матрицы Батлера) позволяет формировать многолучевую диаграмму направленности, обеспечивающую круговой многолучевой прием запросных сигналов.
Однако недостатком такой ФАР является то, что для обеспечения режима передачи управляемым лучом в направлении запросного сигнала необходимо вводить сложную схему коммутации для сигналов передатчиков, что приводит к значительному ухудшению энергетических характеристик АФАР (уменьшение коэффициента усиления, увеличение энергопотребления).
Другим аналогом предлагаемого технического решения является ФАР [2], позволяющая формировать луч, сканирующий в одной плоскости. ФАР содержит: излучатели, параллельную амплитудно-фазовую распределительную систему, управляемые фазовращатели. При использовании такой ФАР возможно реализовать режим излучения узким управляемым лучом в направлении запросного сигнала. Однако такая ФАР не позволяет обеспечить круговой многолучевой прием запросных сигналов.
Наиболее близким аналогом предлагаемому техническому решению (прототипом) является [3]. Многолучевая АФАР [3] (фиг.1) содержит: приемопередающие модули (ППМ) 1 (фиг.1) с излучателями, управляемыми фазовращателями, малошумящими усилителями, усилителями мощности, переключателями прием-передача, образующими подрешетку, сумматоры-делители первой группы 2 (фиг.1), управляемые внемодульные фазовращатели 3 (фиг.1), сумматоры-делители второй группы 4 (фиг.1), частотные фильтры 5 (фиг.1), переключатели "прием-передача" 6 (фиг.1). При этом количество подрешеток и связанных с ними сумматоров-делителей первой группы, внемодульных фазовращателей, сумматоров-делителей второй группы, частотных фильтров, переключателей "прием-передача" равно количеству лучей.
Данная многолучевая АФАР обеспечивает многолучевой прием запросных сигналов, однако особенностью АФАР-прототипа является то, что в ней предусмотрена работа на излучение одновременно несколькими лучами. Существенным недостатком прототипа является невозможность обеспечения одновременной работы в режимах кругового многолучевого приема запросных сигналов и излучения ответных сигналов управляемым лучом.
Кроме того, общим недостатком приведенных аналогов и прототипа является невозможность обеспечения зон обзора, при их прямом использовании в условиях размещения на самолете.
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение одновременно кругового многолучевого приема запросных сигналов и излучение ответного сигнала в направлении запроса узким лучом с целью скрытости радиоизлучения.
Для пояснения решения поставленной задачи и существа предлагаемого технического решения приведены следующие иллюстрации:
Фиг.1 Структурная схема прототипа.
1 - ППМ-приемопередающий модуль АФАР.
2 - Сумматоры-делители первой группы.
3 - Управляемые внемодульные фазовращатели.
4 - Сумматоры-делители второй группы.
5 - Частотные фильтры.
6 - Переключатели "прием-передача".
Фиг.2 Самолетная многодиапазонная АФАР. Функциональная схема.
Фиг.3 Размещение на самолете модулей АФАР.
Фиг.4 Структурная схема модуля АФАР.
1 - Подрешетка АФАР S частотного диапазона (12 лучей).
2 - Подрешетка АФАР L1 частотного поддиапазона (12 лучей).
3 - Подрешетка АФАР L2 частотного поддиапазона (6 лучей).
4 - Подрешетка АФАР UHF частотного диапазона (4 луча).
1В - Вход передатчика S частотного диапазона.
2В - Вход передатчика L1 частотного поддиапазона.
3В - Вход передатчика L2 частотного поддиапазона.
4В - Вход передатчика UHF частотного диапазона.
5 - Мультиплексор приемных информационных сигналов, обслуживаемых частотных диапазонов.
5В - Выход мультиплексного канала связи с обслуживаемым радиооборудованием.
6 - Блок управления и контроля.
7 - Модуль питания.
Фиг.5 Структурная схема подрешетки АФАР S-частотного диапазона или L1 поддиапазона частот.
1 - Делитель мощности на 12 направлений.
2 - Управляемые дискретные фазовращатели.
3 - Амплитудно-фазовые формирующие части излучаемого сигнала.
4 - Модуль приемопередающий.
5 - Амплитудно-фазовые формирующие части приемных лучей (матрица формирования приемных лучей).
6 - Приемник радиосигнала луча и формирования информационного сигнала.
1В - Вход радиопередатчика S частотного диапазона.
(2В)- Вход радиопередатчика L1 частотного поддиапазона.
1
12
6…6 - Выходы информационных сигналов приемников с 12 каналов связи (лучей).
7 - Блок управления и контроля.
8 - Модуль питания.
Фиг.6 Структурная схема модуля приемопередающего S-частотного диапазона или L1-частотного поддиапазона.
1 - Усилитель мощности излучаемого сигнала.
2 - Циркулятор прием-передача.
3 - Излучатель.
4 - Малошумящий усилитель приемного радиосигнала.
1В - Вход от амплитудно-фазовой формирующей части излучаемого радиосигнала.
4В - Выход на амплитудно-фазовую формирующую часть принимаемого радиосигнала.
Фиг.7 Структурная схема подрешетки АФАР. L2-частотного поддиапазона (6 лучей).
1 - Делитель мощности на 6 направлений.
2 - Управляемые дискретные фазовращатели.
3 - Амплитудно-фазовая формирующая часть излучаемого сигнала.
4 - Модуль приемопередающий.
5 - Амплитудно-фазовая формирующая часть приемных лучей (матрица формирования приемных лучей).
6 - Приемник радиосигнала луча и формирования информационного сигнала.
3В - Вход передатчика L2 частотного поддиапазона.
1
6
6…6 - Выходы информационных сигналов приемников 6 каналов связи (лучей).
7 - Блок управления и контроля.
8 - Модуль питания.
Фиг.8 Структурная схема модуля приемопередающего L2 частотного поддиапазона.
1 - Усилитель мощности излучаемого сигнала.
2 - Циркулятор прием-передача.
3 - Излучатель.
4 - Малошумящий усилитель приемного сигнала.
1В - Вход от амплитудно-фазовой формирующей части излучаемого сигнала.
4В - Выход на амплитудно-фазовую формирующую часть принимаемого сигнала.
Фиг.9 Структурная схема подрешетки АФАР UHF частотного диапазона (4 луча)
1 - Делитель мощности на 4 направления.
2 - Управляемый дискретный фазовращатель.
3 - Амплитудно-фазовая формирующая часть изучаемого сигнала.
4 - Модуль приемопередающий.
5 - Амплитудно-фазовая формирующая часть принимаемого сигнала (матрица формирования приемных лучей).
6 - Приемник радиосигнала луча и формирования информационного сигнала.
4В - Вход радиопередатчика UHF частотного диапазона.
1
4
6…6 - Выходы информационных сигналов приемников 4 канала связи (луча).
7 - Блок управления и контроля.
8 - Модуль питания.
Фиг.10 Структурная схема модуля приемопередающего UHF частотного диапазона
1 - Усилитель мощности излучаемого сигнала.
2 - Циркулятор прием-передача.
3 - Излучатель.
4 - Малошумящий усилитель принимаемого сигнала.
1B - Вход от амплитудно-фазовой формирующей части излучаемого сигнала.
4В - Вход от амплитудно-фазовой формирующей части принимаемого сигнала.
Фиг.11 Диаграммы направленности, формируемые модулем АФАР, в азимутальной плоскости в S частотном диапазоне. Жирной линией выделена диаграмма направленности в режиме передачи.
Фиг.12 Диаграммы направленности, формируемые модулем АФАР в азимутальной плоскости в L1 частотном поддиапазоне. Жирной линией выделена диаграмма направленности в режиме передачи.
Фиг.13 Диаграммы направленности, формируемые модулем АФАР в азимутальной плоскости в L2 частотном поддиапазоне. Жирной линией выделена диаграмма направленности в режиме передачи.
Фиг.14 Диаграммы направленности, формируемые модулем АФАР в азимутальной плоскости в UHF частотном диапазоне. Жирной линией выделена диаграмма направленности в режиме передачи.
Для решения поставленной задачи в предлагаемом техническом решении АФАР разделена на четыре одинаковых модуля (фиг.2), размещаемых соответственно на передних и задних кромках левого и правого крыла самолета, (фиг.3). В модули АФАР (фиг.4) введены амплитудно-фазовые формирующие части отдельно для принимаемых 5 (фиг.5, 7, 9) и передаваемых сигналов 3 (фиг.5, 7, 9), которые связаны с общим излучателем 3 (фиг.6, 8, 10) через приемопередающие модули (фиг.6, 8, 10), имеющие раздельные 1B, 4В передающий и приемный входы. При этом в каждом модуле АФАР (фиг.4) введены входы 1B, 2В, 3В, 4В для подключения передатчиков каждого вида обслуживаемого радиооборудования через делитель мощности 1 (фиг.5, 7, 9), число выходов которого равно числу излучателей 3 (фиг.6, 8, 10) и входов 4В (фиг.6, 8, 10) приемной амплитудно-фазовой формирующей части 5 (фиг.5, 7, 9), а такое же количество выходов 5 (фиг.5, 7, 9) от каждого сформированного матрицей формирования канала связи (луча) принятого сигнала подключается к своему приемнику 6 (фиг.5, 7, 9), выход информационного сигнала каждого из которых подключен ко входам введенного мультиплексора 5 (фиг.4), а выход мультиплексора 5В, (фиг.4) через мультиплексный канал связи соединен с обслуживаемым радиооборудованием (фиг.2), которое подключено к управляемым элементам АФАР, фазовращателям, через центральный блок управления и контроля (фиг.2).
Получаемым техническим результатом является создание самолетной многодиапазонной активной фазированной антенной решетки с предлагаемой структурой построения, обеспечивающей решение поставленных задач в условиях размещения ее на самолете.
Предлагаемое техническое решение представляет собой структуру из четырех одинаковых модулей АФАР (фиг.2), связанных функционально с обслуживаемым радиооборудованием S, LI, L2 UHF частотных диапазонов через высокочастотную линию связи (радиочастотный кабель) по передаче и мультиплексную линию связи по информационному принятому сигналу.
Необходимость разделения АФАР на четыре модуля обусловлена требованием обеспечения кругового, в азимутальной плоскости, многолучевого или управляемым лучом обзора пространства в условиях размещения на самолете
Каждый модуль АФАР обеспечивает многолучевой обзор или передачу сигнала управляемым лучом в пределах соответствующего квадранта пространства: в S частотном диапазоне или в L1 частотном поддиапазоне 12 лучами (фиг.11, 12), в L2 частотном поддиапазоне 6 лучами, (фиг.13), в UHF частотном диапазоне 4 лучами, (фиг.14).
Таким образом, АФАР обеспечивает многолучевой круговой обзор пространства в S и L1 диапазонах 48 лучами, 48 положений управляемого луча для передачи сигнала, в L2 частотном поддиапазона многолучевой круговой обзор пространства 24 лучами и 24 положения управляемого луча для передачи сигнала, в UHF частотном диапазоне многолучевой круговой обзор пространства 16 лучами и 16 положений управляемого луча для передачи сигнала.
Каждый модуль АФАР содержит четыре подрешетки 1, 2, 3, 4 (фиг.4), обслуживающих радиооборудование соответствующего частотного диапазона и введенный мультиплексор 5 (фиг.4), позволяющий обобщить информационные сигналы от приемников 6 (фиг.5, 7, 9) каждой из подрешеток и обеспечить последующую передачу этих сигналов по мультиплексному каналу связи в обслуживаемое радиооборудование для дальнейшей обработки и вырабатывания исполнительного сигнала для включения режима излучения в направлении запросного сигнала.
Такое техническое решение позволяет, благодаря последующей аппаратурной обработке принятых информационных сигналов, исключить сигналы, принятые боковыми лепестками и однозначно выделить номер луча, которым принят запросный сигнал.
Подрешетки, входящие в каждый модуль АФАР (фиг.5, 7, 9), содержат раздельные по приему 5 (фиг.5, 7, 9) и по передаче 3 (фиг.5, 7, 9) амплитудно-фазовые формирующие части, имеющие количество входов (выходов), равное количеству общих для приема и передачи излучателей 3 (фиг.6, 8, 10), и связанные между собой через приемопередающие модули (фиг.6, 8, 10).
Такое решение позволяет сформировать на выходе амплитудно-фазовой формирующей части приемных сигналов (матрицы формирования) 5 (фиг.5, 7, 9) количество каналов связи (лучей), равное количеству пространственных положений управляемого луча для излучения сигнала, направление которого совпадает с направлением соответствующего луча многолучевой приемной диаграммы направленности, и позволяет совместить по времени многолучевой прием запросных сигналов и излучение ответа управляемым лучом в сторону запроса, при этом исключается потеря информации за время ответного излучения.
Для формирования требуемого количества каналов связи (лучей) в подрешетки (фиг.5, 7, 9) обслуживаемых частотных диапазонов входит по два приемопередающих модуля 4 (фиг.6, 8, 10) соответствующего частотного диапазона.
Предлагаемое техническое решение (АФАР) работает следующим образом: принятые многолучевой диаграммой направленности обслуживаемых частотных диапазонов запросные сигналы каждого из каналов связи (лучей) своим приемником 6 (фиг.5, 7, 9) обрабатываются с целью выделения информационных сигналов, принятых соответствующими лучами диаграммы направленности, при этом каждому информационному сигналу присваивается номер луча, все информационные сигналы обобщаются мультиплексором 5 (фиг.4) и транслируются через мультиплексный канал связи в обслуживаемое бортовое радиооборудование. Последующая обработка информационных сигналов в соответствующем бортовом оборудовании позволяет определить номер (направление ответа запросному сигналу) положения управляемого луча для излучения ответного радиосигнала. В соответствии с поступающими из обслуживаемого радиооборудования сигналами управления, в центральном блоке управления и контроля вырабатываются и передаются в блоки управления и контроля каждого модуля командные сигналы на управляемые элементы (фазовращатели) модулей АФАР.
Благодаря установленному командными сигналами определенному фазовому состоянию фазовращателей, обеспечивается включение требуемого положения управляемого луча диаграммы направленности АФАР для излучения радиосигнала в направлении запроса. Управляемый луч включается на время, требуемое для излучения ответного сигнала передатчиком обслуживаемого частотного диапазона.
На основании проведенных разработок основных элементов АФАР можно сделать вывод о возможности промышленной реализации предлагаемого технического решения.
Источники информации
1. Активные фазированные антенные решетки. Под ред. Д.Н. Воскресенского, А.И. Канашенкова. Изд. "Радиотехника", М., 2004 г., стр.217.
2. Справочник по радиолокации. Под ред: М. Сколника, М. изд. "Сов. радио", 1977 г., стр.196, фиг.38, стр.202.
3. Патент RU №2298267, заявл. 19.10.2005 г., опубл. 27.04.2007 г. «Многолучевая активная фазированная антенная решетка».