МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
MULTIFUNCTIONAL ARRAY ANTENNA

Предлагаемое изобретение относится к области антенной техники диапазона СВЧ и может быть использовано в специальных радиотехнических системах обнаружения, сопровождения и определения координат нескольких объектов одновременно.Многофункциональная антенная решетка (МАР) должна иметь несколько лучей, количеством, формой и положением в пространстве которых можно электрически управлять. Известные МАР (решетки радиолокационной станции AN/FPS-85) построены на принципах фазирования на промежуточной частоте и имеют ряд существенных недостатков, к которым следует отнести:
невозможность плавного изменения пространственного положения одного луча относительно других, нерегулируемое количество лучей и технические трудности, возникающие при создании подобных МАР для работы в сантиметровом диапазоне.
Целью настоящего изобретения является создание многофункциональной антенной решетки, свободной от перечисленных выше недостатков и позволяющей получить с высокой точностью управления один луч, пару симметрично отклоняющихся лучей или два независимо сканирующих луча.
Для этой цели предлагается каждый излучатель подключить к высокочастотному сумматору через две (или более) секции двухуровневых фазовращателей, номиналы фазы которых пропорциональны разрядам двоичных чисел. Управляющее устройство позволяет обеспечить или ступенчато-пилообразный, или манипуляционный, или и тот и другой одновременно закон изменения фазы проходящего СВЧ-сигнала, соответствующий одному из перечисленных выше режимов работы.
На фиг.1 показана функциональная схема описываемой МАР для приемного режима. Для примера рассмотрен случай 3-секционного фазовращателя.
Излучатели решетки 1 через секции 2, 3 и 4 коммутационного фазовращателя с набором фаз 180°, 90° и 45° соответственно подключены к сумматору 5.
Секции 2, 3, 4 соединены с соответствующими разрядами 6, 7, 8 трехкаскадного двоичного счетчика.
Входы счетчиков через отводы управляемой линии задержки 9 соединены с генератором 10. Второй генератор 11 через отводы управляемой линии задержки 12 и логические схемы «ИЛИ Исключающее»  13 подключен на входы старших разрядов 6 счетчиков. Программное устройство 14 управляет работой линий задержки 9, 12, а также может отключать генератор 10 или 11, изменяя тем самым режим работы решетки.
Рассмотрим работу МАР.
В зависимости от заданной программы многофункциональная антенная решетка может реализовать следующие режимы работы:
1) однолучевая диаграмма с управлением по низкой частоте путем пилообразного изменения фазы высокочастотного сигнала; 2) двухлучевая диаграмма с симметрично отклоняющимися лучами и управлением по низкой частоте путем π-манипуляции фазы высокочастотного сигнала; 3) двухлучевая диаграмма с независимо сканирующими лучами и с управлением по низкой частоте путем π-манипуляции фазы высокочастотного сигнала и дополнительного изменения ее по пилообразному закону.
2
2
2
1
2
3
Рассматриваемая многофункциональная антенная решетка содержит в трактах излучателей фазовращатели дискретно-коммутационного типа, имеющие по три последовательно соединенные секции. Количество секций фазовращателя может быть выбрано равным двум и более. При этом вносимый фазовый сдвиг каждой секции равен . В нашем случае первая секция вносит фазовый сдвиг 360°/ =180°, вторая - 360°/ =90° и третья - 360°/ =45°. Количество секций фазовращателя определяет точность аппроксимации заданного закона изменения фазы.
Первый режим работы МАР основан на смещении частоты СВЧ-сигнала и управлении его фазой путем фазирования низкочастотных сигналов, осуществляющих ступенчатое пилообразное изменение фазы сигнала СВЧ.
Поясним сказанное с помощью функциональной схемы фиг.1 и временных диаграмм фиг.2.
Принятые излучателями решетки 1 сигналы СВЧ поступают на вход фазовращателей 2, 3, 4. В начальный момент времени все фазовращатели находятся в одном из устойчивых состояний и не вносят фазового сдвига. Импульсы генератора 10 (фиг.2а) поступают через отвод с номером “к” управляемой линии задержки 9 на вход младшего разряда 8 одного из счетчиков (фиг.2б).
диаграммы работы разрядов 8, 7, 6 счетчика представлены на фиг.2в, г, д соответственно.
п
1
п
1
п
n
Соответствующие разряды управляют секциями фазовращателя, перебрасывая их из одного состояния в другое. Получаемый ступенчатый пилообразный закон изменения фазы показан на диаграмме "е". Из фиг.2 видно, что период пилообразного изменения фазы Т больше периода следования Т импульсов генератора 10 в N=2 раз. В нашем случае при n=3, T=8Т. Под действием пилообразного изменения фазы излучаемого сигнала происходит смещение его частоты на величину Ω, равную производной от фазового сдвига по времени, т.е.
.
п
п
На каждый последующий (к+1)-й излучатель импульсы генератора приходят сдвинутыми во времени на величину ΔТ относительно предыдущего к-го излучателя. На фиг.2 показаны диаграмма напряжений на входе соседнего счетчика "ж" и диаграмма изменения вносимого фазового сдвига в управляемом им коммутационном фазовращателе "з". Регулируя с помощью линии задержки 9 величину ΔТ, осуществляют сканирование полученным лучом. Дискретная аппроксимация пилообразного закона изменения фазы СВЧ-сигнала с помощью переключений двухуровневых секций фазовращателей позволяет с высокой стабильностью сформировать линейный закон изменения фазы СВЧ-сигнала. Спектр высокочастотного сигнала, прошедшего через коммутационный фазовращатель, осуществляющий изменение фазы во времени по данному закону, состоит из гармоник с номерами р=1±αМ, где М - число ступенек “пилы”, а α=1, 2, 3… . Удельный вес первой гармоники в спектре преобразованного сигнала равен 0,81; 0,95; 0,99 при числе секций фазовращателя 2, 3 и 4 соответственно.
Перейдем к рассмотрению следующего режима работы МАР - режима двухлучевого сканирования с симметрично отклоняющимися лучами и с управлением по низкой частоте путем π-манипуляции фазы высокочастотного сигнала.
Этот режим может быть реализован, если использовать в тракте каждого излучателя только старшую (180°) секцию 2. 180°-ная секция 2 через разряд 6 счетчика и линию задержки 12 управляется сигналами второго вспомогательного генератора 11. В результате фазовой манипуляции скачком на π СВЧ-сигналов в каждом излучателе формируются два симметрично отклоняющихся луча. Изменяя постоянную задержку от излучателя к излучателю, получают симметрично сканирующую пару лучей.
Многофункциональная решетка может сформировать два независимо сканирующих луча. В рассматриваемом режиме старшие (180°) секции фазовращателей участвуют как в формировании пилообразного фазового сдвига, так и в фазовой π-манипуляции. Для этого каждый старший разряд счетчика соединен соответствующими отводами линий задержки 9 и 12 через логическую схему 13 «Исключающее ИЛИ», предназначенную для исключения срабатывания старшей секции 6 фазовращателя при одновременном поступлении импульсов от генераторов 10 и 11. Фаза высокочастотного колебания в тракте излучателя с номером "к" в этом случае изменяется во времени следующим образом:
,
где
при
- закон изменения фазы π-манипулятора,
а  при
- закон изменения фазы "пилы",
l - номер ступеньки,
M - число ступенек, формирующих "пилу".
Сигнал при таком изменении фазы может быть представлен в виде
м
п
где Ω и Ω - соответственно частоты π-манипуляции и “пилы”.
Здесь комплексные амплитуды гармоник “манипуляции”  и “пилы”  определены соотношениями
м
м
п
п
где Т, ΔТ и Т, ΔТ - периоды и задержки между излучателями π-манипуляции и пилы соответственно.
При трех секциях фазовращателя основные составляющие спектра имеют вид:
а) p'=1, p''=1
;
б) p'=-1, p''=1
.
Запишем соответствующие этим спектральным составляющим парциальные диаграммы
где λ - длина волны СВЧ-колебаний,
о
Х - шаг решетки.
Положение их максимумов соответствует углам
Очевидно, что манипуляторы обеспечивают разведение лучей на нужный угол, а пилообразное изменение фазового сдвига - их совместный разворот. При незначительных изменениях управляющей схемы МАР можно управлять шириной диаграммы направленности.
При включенном генераторе 10 и выключенном генераторе 11 реализуется первый режим работы МАР, т.е. однолучевое сканирование; при включенном генераторе 11 и выключенном генераторе 10 - второй режим (сканирование симметричной парой лучей) и при одновременной работе двух генераторов осуществляется независимое сканирование двух лучей.
Таким образом, многофункциональная антенная решетка с двухуровневыми фазовращателями, осуществляющими модуляцию фазы высокочастотного сигнала во времени, позволяет с высокой точностью управлять фазовым распределением поля в раскрыве, изменять число лучей, независимо управлять двумя лучами, а также управлять амплитудным распределением поля в раскрыве, т.е. управлять формой диаграммы направленности.