АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

Полезная модель относится к антенной технике и может использоваться в системах радиопеленгации и радиосвязи.
Известна активная фазированная антенная решетка (АФАР), состоящая из т-излучателей, соединенных с приемо-передающими модулями (ППМ) [Пат. RU №2338307].
Одной из трудностей практической реализации АФАР является размещение излучателей с шагом порядка половины длины волны. При таком размещении элементов в АФАР очень трудно обеспечить теплоотвод от ППМ, которые обеспечивают в режиме передачи порядка 10 Вт средней мощности при КПД порядка 0,2…0,3. Вследствие низкого КПД, в Х-диапазоне возникают большие тепловые потери мощности. Поэтому такие АФАР требуют разработки теплоотвода, особенно если антенная решетка имеет большие размеры. При переходе на миллиметровый диапазон обычное выполнение АФАР на ППМ еще больше усложняется. Кроме необходимости обеспечения теплоотвода возникают задачи управления во всех каналах фазовращателями и аттенюаторами и подведения питания и т.д.
Известна также кольцевая концентрическая антенная решетка, представляющая собой плоскую решетку с круглым раскрывом, элементы которой распределены эквидистантно или по другому закону [2]. При формировании луча в плоскости, ортогональной плоскости апертуры, эта решетка работает как обычная плоская антенная решетка с прямоугольной апертурой. Расстояние между излучателями такой решетки должно быть меньше λ без сканирования и  при сканировании. К одному из недостатков можно отнести малый шаг излучателей. При увеличении шага излучателей в решетке возникают дифракционные максимумы. Вторым недостатком можно считать ограниченный сектор сканирования ±60 относительно нормали.
Известна также АФАР [пат. RU №2310956], позволяющая существенно увеличить расстояние между излучателями, не ухудшив направленные свойства, 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 ФАР, позволяющая уменьшить количество излучателей путем размещения излучателей в виде двух ортогонально расположенных линеек излучателей, а именно, креста Миллса [4]. Такая ФАР обеспечивает высокое угловое разрешение за счет аналоговой корреляционной обработки принятого сигнала. Ее недостатком является малый шаг излучателей в антенной решетке, который нельзя увеличить из-за сложности алгоритма обработки.
Технической задачей заявляемой полезной модели является упрощение распределительной системы активной антенной решетки и улучшение теплоотвода.
Поставленная задача достигается тем, что в активной фазированной антенной решетке, содержащей излучатели, размещенные на экране и соединенные соответственно с приемопередающими модулями, согласно заявляемой полезной модели, излучатели расположены равномерно не эквидистантно, при этом приемо-передающие модули выполнены с возможностью цифровой обработки сигнала на несущей частоте. В частном случае выполнения излучатели могут быть расположены по концентрическим окружностям.
Упрощение распределительной системы, состоящее в уменьшении числа делителей мощности, достигается за счет цифрового формирования луча, осуществляемого в приемо-передающих модулях, а улучшение теплоотвода от премопередающих моделей - за счет увеличения расстояния между элементами без ухудшения характеристик радиоэлектронной системы, таких, например, как точность обнаружения цели в РЛС, помехозащищенность, разрешающая способность, причем шаг решетки может быть увеличен до нескольких длин волн, например, до трех длин волн, в зависимости от размеров апертуры, при шаге в эквивалентной апертуре, равном рабочей длине волны. Ранее использовалась цифровая обработка на промежуточной частоте, т.к. отсутствовали быстродействующие АЦП и ЦАП. В настоящее время в связи с появлением быстродействующей цифровой аппаратуры появилась возможность осуществлять обработку без преобразования частоты, т.е. на несущей частоте непосредственно в приемо-передающем модуле.
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 электрическая схема активной фазированной антенной решетки с одним приемопередающим модулем; на фиг.4а - приведены диаграммы направленности (ДН) антенной решетки в трех разных азимутальных плоскостях, полученные перемножением ДН ортогональных линейных решеток; на фиг.4б - приведена схема размещения элементов в ортогональных решетках; фиг.5 - диаграмма направленности линейной антенной решетки при цифровой обработке; на фиг.6 - ДН антенных решеток - с крестообразным размещением линеек излучателей и по концентрическим окружностям для аналогового метода формирования ДН; фиг.7 - ДН антенных решеток - с крестообразным размещением линеек излучателей и по концентрическим окружностям для цифрового метода формирования ДН.
Активная фазированная антенная решетка содержит экран 1, размещенные на экране излучатели 2, каждый из излучателей 2 соединен с приемо-передающим модулем (ППМ) 3, в который входят: цикулятор 4, усилитель 5 передающего канала, малошумящий усилитель 6 приемного канала, блок цифровой обработки 7 передающего канала, блок цифровой обработки 8 приемного канала, генератор 9, приемник - 10, блок синхронизации - 11. Излучатели 2 расположены на экране 1 равномерно не эквидистантно. Частным случаем не эквидистантного расположения излучателей 1 может быть их расположение по концентрическим окружностям, как показано на фиг.2.
Каждый из приемо-передающих модулей 3 выполнен с возможностью цифровой обработки сигнала на несущей частоте, осуществляемой в блоках 7 и 8 на несущей частоте, 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 9 подаются на блок цифровой обработки 7. В блоке цифровой обработки 7 сигналы оцифровываются и путем последовательных преобразований, после прохождения цифровых линий задержки, получают необходимые для формирования ДН амплитуды и фазы. Затем в усилителе 5 сигналы усиливаются и подаются через циркулятор 4 на соответствующий элемент антенной решетки. В режиме приема сигнал, принятый соответствующим элементом подается через циркулятор 4 на вход малошумящего усилителя 6, усиливается до необходимого для цифровой обработки уровня и подается на вход блока цифровой обработки 8. В блоке цифровой обработки 8 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 8 с соответствующими весовыми коэффициентами. После цифровой обработки сигнал передается на вход приемника 10. Синхронизация оцифрованных сигналов всех элементов антенной решетки осуществляется блоком синхронизации 11.
Полотно приемной цифровой антенной решетки (экран 1) при произвольной структуре размещения излучателей 2 заполняется с шагом, превышающим длину волны на плоскости апертуры антенны. При этом проекция излучателей 2 на эквивалентный линейный излучающий раскрыв не должна превышать длину рабочей волны чтобы не возникали дифракционные максимумы. ДН такой антенны в направлении нормали к плоской апертуре приводит к возникновению побочных (дифракционных) максимумов, а цифровая обработка переводит луч в режиме приема в ортогональную плоскость, в которой побочное излучение отсутствует.
x
y
x
y
Алгоритм преобразования заключается в следующем. В соответствии с цифровыми методами обработки сигналов с использованием метода быстрого преобразования Фурье (БПФ), цифровых линий задержки, можно показать, что ДН при цифровой обработке может быть образована, как произведение диаграмм направленности каждой из линейных антенных решеток: f(θ) f(θ) (фиг.4а) - где f(θ) - диаграмма направленности линейной антенной решетки, расположенной вдоль оси ОХ, полученная в цифровом виде, a f(θ) - диаграмма направленности линейной антенной решетки, расположенной вдоль оси OY (фиг.4б), также полученная в цифровом виде. Причем, эта процедура перемножения выполняется также в цифровом виде непосредственно в процессоре в блоке 7.
При этом, сравнивая две пространственные ДН, мы видим полную идентичность полной плоской решетки и решетки с числом излучателей не равным произведению, а являющимся суммой излучателей.
Таким образом, можно существенно уменьшить число излучателей и получить характеристики направленности с сохранением однолучевого режима работы. Полученный результат для цифровой решетки согласуется с теорией радиоастрономических антенн. В радиоастрономии известно решение задачи о получении сверхбольших разрешений с помощью креста Миллса. Крест Миллса также состоит из двух ортогональных решеток, но их разрешение соответствует плоской апертуре. В кресте Миллса также происходит перемножение сигналов при корреляционной обработке, выполняющейся после записи сигнала, которая требует значительных вычислительных затрат.
При создании такой решетки в режиме приема показано, что в ДН уровень боковых лепестков (УБЛ) соответствует плоской апертуре. Однако, если использовать эту решетку в режиме передачи, то ДН такой системы излучателей будет иметь крайне высокий УБЛ. Поэтому можно разместить излучатели в полотне не по двум ортогональным решеткам, а равномерно расположить по апертуре. При этом, если взять равномерное не эквидистантное расположение, которое можно реализовать, например, расположив излучатели 2 по концентрическим окружностям (фиг.2) при том же числе излучающих элементов, то диаграмма, формируемая аналоговым методом, также будет иметь высокий УБЛ (фиг.6). Цифровой метод обработки сигнала в режиме приема позволяет снизить УБЛ (фиг.7).
Таким образом, разработана активная фазированная антенная решетка с минимальным числом элементов, обеспечивающая однолучевую ДН в режиме приема за счет цифровой обработки сигналов. Размещение минимального числа элементов в плоскости апертуры позволяет увеличить расстояние между элементами, а, следовательно, облегчить теплоотвод от модулей и уменьшить взаимодействие излучателей в полотне антенной решетки. Сокращение числа элементов антенной решетки приводит также к уменьшению числа элементов распределительной системы, а цифровая обработка исключает применение таких устройств как фазовращатели и аттенюаторы, поэтому система деления мощности существенно упрощается. Количество элементов в антенной решетке выбирается исходя из шага проекций излучателей на эквивалентную апертуру 3 (фиг.2), который не должен превышать длину волны. Поэтому количество элементов будет меньше числа элементов в антенной решетке в виде креста Миллса при одинаковой площади раскрыва.
Литература
1. Пат. RU №2338307
2. С.Е.Мищенко, С.В.Землянский. Амплитудно-фазовый синтез антенной решетки с произвольным размещением излучателей по заданной векторной диаграмме направленности. Материалы всероссийской конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ», Таганрог, июнь 18-23. 2001 г.
3. пат. RU №2310956
4. Хансен Р. Сканирующие антенные системы СВЧ. T.1, M.: Советское радио, 1966. - с.372.