ПРИЁМО-ПЕРЕДАЮЩИЙ МОДУЛЬ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ РЕШЁТКИ

Полезная модель приемо-передающего модуля (ППМ) относится к средствам радиолокационной техники и может быть использована в импульсных радиолокационных станциях с синтезированием апертуры антенны (РСА) космического базирования. Одной из особенностей работы РСА космического базирования заключается в необходимости обеспечения режима излучение в одном направлении и одновременного приема эхо-сигналов с другого направления.
Полезная модель предназначена для работы в составе активной фазированной антенной решетки (АФАР) с импульсными зондирующими сигналами и служит для обеспечения заданной мощности передатчика и чувствительности приемника радиолокатора, а также обеспечивает заданный режим сканирования диаграммы направленности антенны. В радиолокационной станции с синтезированием апертуры реализуется импульсный метод измерения дальности. Приемо-передающий модуль является основным элементом АФАР, поэтому все энергетические и другие технические характеристики радиолокатора определяются свойствами и характеристиками ППМ.
Известно устройство приемо-передающего модуля [L-Band T/R Modules // Thales Alenia Space. - June 2012.-2 p., www.thalesaleniaspace.com] с независимым управлением фазой и амплитудой в передающем и приемном каналах ППМ. Структурная схема такого ППМ приведена на фиг. 1, где пунктиром обведена радиочастотная часть ППМ (РЧ часть ППМ).
Данная структурная схема ППМ имеет устройство управления 1, которое используется для формирования диаграммы направленности АФАР и управления ее пространственным положением. Радиочастотный вход (РЧ Вх.) служит для подачи предварительно сформированного на рабочей частоте зондирующего сигнала, который через управляемый фазовращатель (Упр. ФВ) 3 и управляемый аттенюатор (Упр. атт.) 5 подается на драйвер усилителя 8 и усилитель мощности 9. В режиме передачи усиленный в 9 сигнал заданной мощности поступает на переключатель «передача-прием», который в данный момент подключил выход 9 к антенне, и излучается в пространство. В режиме приема переключатель «передача-прием» отключает антенну от усилителя мощности 9 и подключает ее к входу ограничителя 7, который является защитным устройством приемной части ППМ. После ограничения в 7 сигнал усиливается в малошумящем усилителе (МШУ) 6, проходит последовательно включенные управляемый аттенюатор Упр. атт. 4, управляемый фазовращатель Упр. ФВ 2 и передается на радиочастотный выход (РЧ Вых).
Такое построение радиочастотной части ППМ является универсальным и позволяет управлять амплитудой и фазой сигналов независимо на прием и на передачу, поскольку устройство управления 1 может независимо управлять фазой и амплитудой сигналов в приемном тракте (с помощью Упр. ФВ 2 и Упр. атт. 4) и в передающем тракте (с помощью Упр. ФВ 3 и Упр. атт. 5) соответственно. Это дает возможность сформировать независимые диаграммы направленности антенны на передачу и прием и управлять ими в пространстве.
Основные недостатки такого технического решения проявляются при построении АФАР: 1) при реализации режима передачи для возбуждения всех ППМ потребуется делитель мощности сигнала основного радиопередающего устройства, а для режима приема необходим отдельный радиочастотный сумматор мощности для объединения радиочастотных выходов приемной части всех ППМ; 2) для подсоединения ППМ к остальным устройствам АФАР требуется раздельное (для канала приема и канала передачи) кабельное хозяйство. Это заметно увеличивает массу РСА и космического аппарата в целом. Кроме того, наличие цифрового управляемого аттенюатора Упр. атт. 5 в тракте передатчика ППМ приводит к дополнительным потерям мощности сигнала возбуждения, поскольку в таком аттенюаторе всегда имеется остаточное затухание. Как следствие, изменение мощности сигнала по апертуре АФАР снижает коэффициент использования площади антенны и энергетический потенциал РСА на 15…40%.
Известно устройство приемо-передающего модуля, выбранное в качестве прототипа, с общей для режима излучения зондирующего сигнала и для режима приема отраженного сигнала цепочкой, состоящей из последовательно включенных управляемого аттенюатора и управляемого фазовращателя, которые обеспечивают при приеме и при передаче формирование в раскрыве АФАР заданного амплитудно-фазового распределения поля [Патент РФ №2362268 С2, 20.07.2009, Бюл. №20; TR Module RFCR91-XTRM-015SP-200A. TR Module, Data Sheet, V.0.4. RFHIC, USA. 3p.; Daimler Chrysler Aerospace AG, EADS Deutschland GmBH; Pilz D., Feldle P. RF-Payload of TerraSAR-X // Proc. GeMiC 2005, Germany. Pp. 140-143.]. Структурная схема, показывающая основные элементы и связи в данном ППМ, представлена на фиг. 2. В состав структурной схемы ППМ 10 входят первый 11, второй 12, третий 13 и четвертый 14 переключатели «передача-прием», управляемый аттенюатор (Упр. атт.) 4, управляемый фазовращатель (Упр. ФВ) 2, радиочастотный усилитель мощности (УМ) 9, малошумящий усилитель с соответствующими элементами защиты (МШУ) 6. В качестве излучателя зондирующего сигнала и приема отраженного сигнала используется антенна (Ант.) 15, которая может размещаться либо на корпусе ППМ 10, либо подключаться к нему с помощью разъемов. Вспомогательные элементы схемы (радиочастотные разъемы, управляющие входы переключателей 11-14, управляющие входы аттенюатора 4 и фазовращателя 2, источники питания и цепи модуляции и др.) на схеме фиг. 2 не показаны. Переключатели «передача-прием» 11-14 имеют два положения и подключают контакт 11-1, 12-1, 13-1, 14-1 в зависимости от режима работы ППМ либо к контакту 11-2, 12-2, 13-2, 14-2, либо к контакту 11-3, 12-3, 13-3, 14-3 соответственно. При подключении контактов 11-1, 12-1, 13-1, 14-1 к контактам 11-2, 12-2, 13-2, 14-2 (как показано на фиг. 2) реализуется режим работы на прием эхо-сигналов. Если контакты 11-1, 12-1, 13-1, 14-1 подключены во всех переключателях «передача-прием» к контактам 11-3, 12-3, 13-3, 14-3, то ППМ готов для работы на передачу зондирующих сигналов.
Излучатель 15 соединен с первым контактом 14-1 переключателя 14, второй контакт 14-2 которого соединен с входом МШУ 6, а третий контакт 14-3 связан с выходом УМ 9, вход которого соединен с контактом 12-3 переключателя 12. Выход МШУ 6 подключен к контакту 13-2 переключателя 13, третий контакт 13-3 которого соединен с третьим контактом 11-3 переключателя 11. Контакт 11-2 переключателя 11 связан с контактом 12-2 переключателя 12. Контакт 12-1 переключателя 12 соединен с контактом 13-1 переключателя 13 через последовательно соединенные управляемый аттенюатор Упр. атт. 4 и управляемый фазовращатель Упр. ФВ 2. Первым радиочастотным входом ППМ 10 (в режиме передачи сигналов) и выходом (в режиме приема) является контакт 11-1 переключателя 11. Совмещенный благодаря использованию импульсного зондирующего сигнала и переключателя «передача-прием» 11 первый радиочастотный вход-выход (РЧ Вх-Вых) позволяет, в отличие от аналога, использовать для соединения ППМ с основным приемо-передатчиком РСА (на схеме фиг. 2 не показан) один радиочастотный кабель, что существенно упрощает построение АФАР, снижает массу РСА.
Устройство работает следующим образом.
В режиме приема (переключатели 11, 12, 13, 14 установлены в положение 11-2, 12-2, 13-2, 14-2 соответственно) эхо-сигнал от антенны 15 попадает через переключатель 14 в канал приемника ППМ, где сигнал усиливается в малошумящем усилителе (МШУ) 6. Далее сигнал проходит переключатель 13, поворачивается по фазе в Упр. ФВ 2 в соответствии с требуемым пространственным положением диаграммы направленности, ослабляется в управляемом аттенюаторе Упр. атт. 4 в соответствии с выбранной весовой функцией и через переключатели 12 и 11 подается на радиочастотный выход (РЧ Вх-Вых) для дальнейшего усиления и обработки.
В режиме передачи (переключатели 11, 12, 13, 14 установлены в положение 11-3, 12-3, 13-3, 14-3) на вход передающей части всех ППМ АФАР поступает сформированный радиоимпульсный сигнал от центрального радиопередающего устройства (на фиг. 2 не показано). В каждом ППМ этот сигнал попадает на контакт 11-1 переключателя 11, а затем в соответствии с заданными характеристиками сканирования и параметрами антенной системы сдвигается по фазе в управляемом фазовращателе Упр. ФВ 2 и ослабляется по мощности в управляемом аттенюаторе Упр. атт. 4. Далее сигнал усиливается по мощности в УМ 9 и через переключатель 14 подается в антенну 15. Ослабление сигнала, просочившегося в приемник, осуществляется защитным устройством МШУ 6, которое реализуется, как правило, с помощью диодного ограничителя.
Данное устройство (прототип) позволяет организовать эффективную работу радиолокатора с синтезированной апертурой в режиме съемки с одним лучом диаграммы направленности, поскольку зондирующий сигнал и эхо-сигнал проходят через Упр. ФВ 2 и Упр. атт. 4, настроенные на одно и то же угломестное положение луча.
Одним из основных недостатков прототипа является то, что управляемый аттенюатор Упр. атт. 4 имеет остаточное затухание, которое приводит к потере мощности в процессе передачи, а переключатели «передача-прием» 12 и 13 не являются идеальными и вызывают дополнительные потери мощности сигнала как в режиме передачи, так и в режиме приема.
п
Кроме того, следует учитывать, что для получения разных пространственных положений луча при передаче и приеме необходимо после зондирующего сигнала изменять фазу в Упр. ФВ 2 и затухание в Упр. атт. 4 в соответствии с пространственным положением луча на прием, а перед излучением следующего зондирующего сигнала возвращать значения фазы в Упр. ФВ 2 и затухания в Упр. атт 4 в исходное состояние. Это приводит к сужению зоны приема по дальности, мертвая зона радиолокатора увеличивается, и цель может быть пропущена. Типовая циклограмма работы прототипа ППМ АФАР при передаче и приеме сигналов приведена на фиг. 3, на которой приведены все основные временные интервалы в течение одного периода следования Т зондирующих импульсов.
изл
стр_прд
изл
защ
защ
пл
защ
стр_прм
изл
раб
стр_прм
изл
пл
защ
На этом интервале время распределяется следующим образом. Участок 16 занимает простой или сложный зондирующий сигнал с длительностью импульса Т. Для его формирования используется стробирующий импульс передатчика 17 с длительностью Т=Т+2⋅ΔТ, где ΔТ - защитный интервал, учитывающий переходные процессы в ППМ до и после излучения. Интервал 18 расходуется на переключение диаграммы направленности (ДНА) с передачи на прием; длительность интервала 18 переключения луча составляет Т. Защитный интервал 19 длительностью Т учитывает переходные процессы переключателей «передача-прием» 11-14 (в схеме фиг. 2). Стробирующий импульс приемника 20 с длительностью импульса Т открывает приемник для регистрации эхо-сигналов. В результате обработки (свертки сложного сигнала по дальности) часть интервала длительностью Т в конце строки теряется, поскольку на этом интервале осуществляется неполное сжатие сигнала. Поэтому полезное время сокращается и равно Т=Т-Т. Интервал времени 21, используемый для переключения ДНА с приема на передачу, имеет длительность Т. Защитный интервал 22 с длительностью Т учитывает переходные процессы переключателей «передача-прием» 11-14 и используется для инициализации всех процессов по подготовке передачи и приема информации следующего зондирования.
п
раб
мз1
мз2
Таким образом, на временном интервале Т полезная информация принимается только в течение Т. Все остальное время - Т до начала стробимпульса приемника 20 и Т после его окончания - определяет мертвую зону РСА. Размер мертвой зоны для некоторых режимов работы РСА достигает 30…50% от общей длительности зондирования.
Таким образом, недостатками прототипа являются большая мертвая зона радиолокационной станции, большие потери мощности в управляемом аттенюаторе при излучении зондирующего сигнала и дополнительные потери мощности при приеме и передаче сигналов в переключателях «передача-прием». Следовательно, известное устройство не позволяет эффективно управлять лучом при передаче и приеме без ухудшения тактико-технических характеристик, и поэтому оно нуждается в совершенствовании структуры для устранения перечисленных недостатков.
Основными задачами, решаемыми предлагаемым приемо-передающим модулем АФАР, являются: обеспечение возможности работы с независимым формированием лучей на передачу и прием, достижение максимального коэффициента использования апертуры антенны при передаче, достижение максимального коэффициента полезного действия усилителей мощности при передаче, обеспечение максимально возможной зоны обнаружения целей без пропуска.
Заявляемая полезная модель устраняет недостатки аналогов следующим образом. В известное устройство - прототип, содержащее передающий и приемный каналы, управляемые аттенюатор и фазовращатель, усилитель мощности, малошумящий усилитель, четыре переключателя «передача-прием», введен дополнительно второй управляемый фазовращатель и исключены два переключателя «передача-прием», а управляемый аттенюатор включен только при приеме сигналов. Исключение управляемого аттенюатора из тракта усиления мощности при передаче зондирующего сигнала позволяет снизить потери мощности сигнала возбуждения в ППМ и максимально использовать апертуру антенны; уменьшение числа переключателей повышает надежность ППМ, уменьшает длительность переходных процессов при переходе от режима передачи к режиму приема. Использование двух управляемых фазовращателей, которые управляются раздельно при приеме и передаче сигналов, позволяет формировать луч диаграммы направленности на передачу в одном направлении и одновременно на прием - в другом направлении. За счет исключения времени на переключение лучей и снижения времени переходных процессов уменьшается мертвая зона и, соответственно, увеличивается рабочее время РСА, в течение которого вырабатывается информация, обеспечивается максимально возможная зона обнаружения целей без пропуска.
Сущность полезной модели состоит в создании приемо-передающего модуля активной фазированной антенной решетки, содержащего тракт усиления зондирующих сигналов и тракт приема эхо-сигналов, отличающийся тем, что он включает в себя при передаче последовательно соединенные управляемый фазовращатель, усилитель мощности, в режиме приема последовательно соединенные малошумящий усилитель, управляемый фазовращатель, управляемый аттенюатор, а также два переключателя «передача-прием», один из которых переключает излучатель (антенну), а другой - радиочастотный вход приемо-передающего модуля.
На чертеже (фиг. 4) представлена схема заявляемого приемо-передающего модуля. Первый вход-выход ППМ 10 «РЧ Вх-Вых», являющийся входом предлагаемого ППМ при передаче и выходом при приеме сигналов, соединен с входом (контактом 11-1) переключателя 11, контакт 11-3 которого соединен с входом управляемого фазовращателя (Упр. ФВ) 3, а контакт 11-2 переключателя 11 в свою очередь соединен с выходом управляемого аттенюатора (Упр. Атт) 4. Управление фазовращателем и аттенюатором производится, как правило, цифровыми сигналами в параллельном или последовательном коде (устройство цифрового управления на схеме фиг. 4 не представлено). Выход Упр. ФВ 3 соединен с входом усилителя мощности (УМ) 9, выход которого соединен с входом 14-3 переключателя 14. Контакт 14-1, который является вторым входом-выходом ППМ, переключателя 14 соединен с антенной 15. Контакт 14-2 переключателя 14 соединен с последовательно включенными малошумящим усилителем (МШУ) 6, вторым управляемым фазовращателем Упр. ФВ 2, управляемым аттенюатором Упр. Атт 4. На фиг. 4 положение переключателей 11 и 14 соответствуют режиму передачи и излучения зондирующего сигнала.
Приемо-передающий модуль (ППМ) 10 работает следующим образом.
В режиме передачи, когда соединены контакты 11-1 и 11-3, 14-1 и 14-3 переключателей 11 и 14 соответственно, на вход «РЧ Вх-Вых» подается предварительно сформированный на рабочей частоте зондирующий сигнал (тракт формирования зондирующего сигнала на чертеже фиг. 4 не показан). Фаза этого сигнала изменяется в управляемом фазовращателе Упр. ФВ 3 в соответствии с требуемым положение максимума диаграммы направленности антенны на передачу. Далее сигнал усиливается в усилителе мощности УМ 9 и через переключатель 14 передается в антенну 15, которая излучает сигнал в окружающее пространство. Предлагаемое устройство ППМ осуществляет усиление радиоимпульсов с постоянной мощностью. Поскольку мощность радиосигнала не изменяется, то УМ 9 всегда работает в энергетически выгодном режиме (например, критическом) и имеет максимально возможный КПД. Отсутствие в тракте при передаче сигналов 2-х переключателей (блоки 12 и 13 в схеме на фиг. 2) по сравнению с прототипом также снижает потери сигнала в режиме передачи.
пл
пл
раб
мз1
мз2
В режиме приема, когда соединены контакты 11-1 и 11-2, 14-1 и 14-2 переключателей 11 и 14 соответственно, сигнал, поступающий из антенны 15, усиливается с малым уровнем шума в малошумящем усилителе МШУ 6, последовательно проходит управляемые фазовращатель Упр. ФВ 2 и аттенюатор Упр. атт 4, который обеспечивает в АФАР получение заданной весовой функции амплитудного распределения поля. Отсутствие 2-х переключателей прототипа (блоки 12 и 13 в схеме на фиг. 2) позволяет избежать дополнительных потерь мощности сигнала, что благоприятно сказывается на отношении сигнал-шум и других характеристиках радиолокатора. Управление фазой в Упр. ФВ 2 позволяет независимо от передающей части формировать луч на прием сигналов, в общем случае не совпадающий с направлением максимального излучения при передаче. Поэтому в отличие от прототипа не надо тратить время на управление фазой после момента излучения сигнала текущего зондирования и перед излучением следующего зондирующего сигнала. Таким образом, из циклограммы работы ППМ (соответственно, РСА) исключается удвоенная длительность переключения луча Т. Это позволяет расширить по времени на 2⋅Т, зону приема эхо-сигналов Т и уменьшить мертвую зону радиолокатора Т и Т, то есть устройство обеспечивает расширение зоны действия радиолокатора по дальности.
Предлагаемое устройство приемо-передающего модуля решает следующие задачи:
- усиление мощности радиоимпульсов с максимально возможным КПД до требуемого уровня мощности;
- усиление слабых эхо-сигналов с низким уровнем шумов до требуемого для последующих преобразований уровня мощности;
- управление положением максимума диаграммы направленности антенны при передаче сигналов;
- управление положением максимума диаграммы направленности антенны при приеме сигналов;
- формирование с помощью управляемого аттенюатора весовой функции заданного вида для снижения уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенной системы;
что свидетельствует о соблюдении требования единства полезной модели.
Технический результат: расширение зоны действия радиолокационной станции по дальности (уменьшение мертвой зоны) за счет применения независимого управления лучом на передачу и прием; повышение надежности за счет уменьшения количества переключателей «передача-прием»; уменьшение энергетических потерь при передаче и приеме сигналов за счет снижения количества переключателей «передача-прием» и исключения управляемого аттенюатора из тракта передачи; переключение входа приемо-передающего модуля на прием и передачу сигналов не требует дополнительных соединительных радиочастотных кабелей, поэтому масса и габариты радиолокатора не увеличиваются.