ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩАЯ АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
ACTIVE PHASED ARRAY TRANSCEIVER

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может быть использовано в радиолокации, связи и других системах, размещенных на летательных аппаратах.
1
2
3
1
2
3
Из уровня техники известна «Двухдиапазонная антенная система» (патент RU №2177662, опубликовано 27.12.2001, МПК: H01Q 21/00), включающая фазированную антенную решетку (ФАР) высокочастотного диапазона, волноводные излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру, и ФАР низкочастотного диапазона, излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру. Излучатели обеих ФАР образуют единую апертуру антенной системы, центры излучения обеих ФАР совпадают между собой или сдвинуты на величину периода расположения излучателей высокочастотной ФАР. Излучатели высокочастотной ФАР объединены в непрерывные линейки, а излучатели низкочастотной ФАР расположены между линейками высокочастотной ФАР, образуя ряды. Причем величины периодов расположения излучателей низкочастотной ФАР в ряду выполняют точно в соответствии с требуемым для заданного сектора сканирования значением, а между рядами дискретно с шагом, кратным значению периода расположения линеек излучателей высокочастотной ФАР. Излучатели низкочастотного диапазона могут быть расположены не на всей апертуре, образуя двухрядную и трехрядную структуры, либо занимают всю апертуру, а излучатели высокочастотного диапазона - только центральную часть апертуры, либо могут быть смещены на случайную величину, либо могут быть выполнены в виде укороченных Н-образных вибраторов с активным плечом длиной L и пассивным плечом длиной L, установленных на стойках, выполненных на отрезках коаксиальной линии длиной h с симметрирующими щелями, длиной L, причем L, L, L, h выбираются по формулам.
Недостатками такой двухдиапазонной антенной системы являются отсутствие возможности формирования суммарно-разностной диаграммы направленности (ДН) и отсутствие системы управления лучом, а также чисто пассивный режим работы.
Известна пассивно-активная фазированная антенная решетка (патент RU №2299502, опубликовано 20.05.2007, МПК: H01Q 21/00, H01Q 3/26), состоящая из n излучающих элементов, n приемо-передающих модулей (ППМ) и распределительной системы. В состав ППМ входят m активных ППМ, каждый из которых содержит усилитель мощности передающего канала, малошумящие усилители приемного канала, фазовращатели, схему управления и контроля, (n-m) пассивных ППМ, каждый из которых содержит фазовращатель и схему управления фазовращателем. У каждого из m активных ППМ вход в режиме передачи (выход в режиме приема) соединен с соответствующим выходом (входом) распределительной системы СВЧ-мощности, а выход в режиме передачи (вход в режиме приема) соединен с общим каналом делителя мощности (сумматора мощности). К одному выходному каналу в режиме передачи (входному каналу в режиме приема) делителя мощности (сумматора мощности) присоединен излучающий элемент непосредственно, а к остальным каналам излучающие элементы присоединены последовательно через пассивные ППМ.
Недостатками этой пассивно-активной фазированной антенной решетки являются: отсутствие возможности формирования разностных диаграмм направленности, чрезмерная громоздкость и сложность схемы построения, что связано с последовательным соединением активных и пассивных приемо-передающих модулей, и связанные с этим увеличенные потери энергии на передачу и прием. Кроме того, управление каналами пассивно-активной ФАР осуществляется извне, что существенно усложняет и удорожает построение системы управления.
Наиболее близкой по технической сущности является активная фазированная антенная решетка (патент RU №2338307, опубликовано 10.11.2008, МПК: H01Q 21/00, H01Q 3/26, H01Q 25/02), состоящая из m излучателей, соединенных с m приемо-передающими модулями (ППМ), устройство распределения и фазирования (УРФ) и делитель. В состав АФАР также входят формирователь диаграммы направленности (ФДН), имеющий два входа и четыре выхода, три делителя (Д), 2К-1 устройства распределения и фазирования (УРФ), 2К периферийных устройств управления (УУ), выполненных с возможностью установления требуемых значений фазовых соотношений в соответствии с управляющими сигналами, поступающими от блока управления лучом (БУЛ). Причем каждый из четырех высокочастотных (ВЧ) выходов ФДН подключен к ВЧ-входу соответствующего делителя, имеющего К/2 ВЧ-выходов каждый, где К - четное число. 2К ВЧ-выходов делителей соединены с ВЧ-входами соответствующих УРФ, имеющих каждый m ВЧ-выходов, где m - любое целое число. Каждый из 2Кm ВЧ-выходов УРФ соединен с ВЧ-входом соответствующего 2Кm ППМ, ВЧ-выходы которых подключены к излучателям. При этом каждое устройство распределения и фазирования, соединенное с высокочастотными входами m приемо-передающих модулей, подключенных к m излучателям, периферийное устройство управления, m низкочастотных выходов которого соединены с низкочастотными входами m приемо-передающих модулей, а низкочастотный (m+1)-й выход периферийного устройства управления соединен с низкочастотным входом устройства распределения и фазирования, образуют подрешетку, причем низкочастотные входы всех периферийных устройств управления подключены к выходу блока управления лучом, вход блока управления лучом является управляющим входом активной фазированной антенной решетки, первый и второй входы формирователя диаграммы направленности являются суммарным и разностным входами активной фазированной антенной решетки.
Недостатками этой активной фазированной антенной решетки являются чрезмерная громоздкость и сложность схемы построения, что связано с наличием большого количества функциональных узлов в виде отдельных блоков. Кроме того, управление периферийными устройствами осуществляется посредством одного устройства, что ведет к усложнению кабельной сети и снижению надежности АФАР в целом.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание приемо-передающей активной фазированной антенной решетки повышенной надежности с упрощенной схемой построения, с возможностью реализации одновременного формирования суммарной и разностной ДН, а также достижения полной автономии как в части управления приемо-передающими каналами за счет введения устройств управления и контроля в каждый МППУ, так и в части ВЧ калибровки приемо-передающих каналов за счет введения тестового канала.
Технический результат достигается тем, что приемо-передающая активная фазированная антенная решетка, содержащая m излучателей, подрешетки, делители, устройство управления, суммарный и разностный входы приемо-передающей активной фазированной антенной решетки. При этом она отличается от прототипа тем, что дополнительно включает m/4 модулей приемо-передающих усилительных, делитель тестового сигнала (ДТС) и диаграммообразующий сумматор, причем излучатели объединены попарно в линейки излучателей, две линейки излучателей и модуль приемо-передающий усилительный образуют подрешетку с автономным управлением приемо-передаюшими каналами, каждый модуль приемо-передающий усилительный включает четыре приемо-передающих канала (ППК), два делителя (Д), устройство управления и контроля (УУК), делитель тестового сигнала (ДТС) выполнен с возможностью осуществления равномерного распределения на каждый канал сигнала СВЧ в режиме калибровки, причем диаграммообразующий сумматор включает направленный ответвитель, устройство управления (УУ), m/4 фазовращателей (ФВ) с дискретом установки фазы СВЧ-сигнала 180°, при этом вход каждого приемо-передающего канала соединен с соответствующим выходом устройства управления и контроля, вход-выход каждого приемо-передающего канала соединен с входом-выходом соответствующего делителя, при этом вход каждого фазовращателя соединен с выходом устройства управления, а выходы всех фазовращателей подключены к входам модулей приемо-передающих усилительных (МППУ), высокочастотные входы-выходы излучателей, входящих в состав линеек излучателей, соединены с высокочастотными входами-выходами модулей приемо-передающих усилительных, а высокочастотные входы линеек излучателей соединены с высокочастотными выходами делителя тестового сигнала, высокочастотные входы модулей приемо-передающих усилительных соединены с выходами направленного ответвителя (НО), входящего в состав диаграммообразующего сумматора, низкочастотный вход МППУ подключен к выходу радиолокационной станции (РЛС) посредством последовательной линии связи, низкочастотный вход устройства управления, входящего в состав диаграммообразующего сумматора, посредством параллельной линии связи подключен к выходу РЛС, суммарный выход и разностный выход диаграммообразующего сумматора являются суммарным и разностным входами приемо-передающей активной фазированной антенной решетки.
Устройство и работа приемо-передающей активной фазированной антенной решетки поясняются рисунками Фиг. 1 - Фиг. 2.
На Фиг. 1 представлена функциональная схема приемо-передающей активной фазированной антенной решетки, которая включает следующее:
1 - излучатели,
2 - линейки излучателей,
3 - модули приемо-передающие усилительные (МППУ),
4 - делитель тестового сигнала (ДТС),
5 - сумматор,
6 - последовательная линия связи,
7 - параллельная линия связи,
8 - суммарный выход диаграммообразующего сумматора,
9 - разностный выход диаграммообразующего сумматора,
10 - приемо-передающие каналы (ППК),
11 - делители (Д),
12 - устройство управления и контроля (УУК),
13 - направленный ответвитель (НО),
14 - фазовращатель (ФВ),
15 - устройство управления (УУ).
На Фиг. 2 изображена функциональная схема приемо-передающего канала (ППК), который включает:
16 - циркулятор,
17 - фазовращатель,
18 - защитное устройство (ЗУ),
19 - малошумящий усилитель (МШУ),
20 - управляемый аттенюатор (Атт),
21 - предварительный усилитель мощности (ПрУМ),
22 - управляемый усилитель мощности (УУМ).
Приемо-передающая активная фазированная антенная решетка (Фиг. 1) содержит m излучателей 1, объединенных попарно в линейки излучателей 2, m/4 модулей приемо-передающих усилительных (МППУ) 3. При этом две линейки излучателей 2 и модуль приемо-передающий усилительный 3 образуют подрешетку с автономным управлением приемо-передающими каналами посредством устройства управления и контроля 12 в соответствии с информацией, поступающей по последовательной линии связи. При этом приемо-передающая активная фазированная антенная решетка может включать любое количество подрешеток без корректировки алгоритмов управления РЛС, определяемое типом и габаритами летательного аппарата. Также приемо-передающая активная фазированная антенная решетка включает делитель тестового сигнала (ДТС) 4 и диаграммообразующий сумматор 5.
Высокочастотные входы-выходы излучателей 1 линеек излучателей 2 соединены с высокочастотными входами-выходами модулей приемо-передающих усилительных 3, а высокочастотные входы линеек излучателей 2 соединены с высокочастотными выходами делителя тестового сигнала (ДТС) 4. Высокочастотные входы модулей приемо-передающих усилительных 3 соединены с выходами диаграммообразующего сумматора 5. Низкочастотный вход МППУ 3 подключен к выходу радиолокационной станции (РЛС) посредством последовательной линии связи 6. Низкочастотный вход диаграммообразующего сумматора 5 (УУ) посредством параллельной линии связи 7 подключен к выходу РЛС. Суммарный выход 8 и разностный выход 9 диаграммообразующего сумматора 5 являются суммарным и разностным входами приемо-передающей активной фазированной антенной решетки.
Каждый модуль приемо-передаюший усилительный 3 включает четыре приемо-передающих канала (ППК) 10, два делителя (Д) 11, устройство управления и контроля (УУК) 12. При этом вход каждого приемо-передающего канала 10 соединен с соответствующим выходом устройства управления и контроля 12. Вход-выход каждого приемо-передающего канала 10 соединен с входом-выходом соответствующего делителя 11.
Делитель тестового сигнала (ДТС) 4 предназначен для осуществления равномерного распределения на каждый из m/2 каналов сигнала СВЧ, поступающего на вход (Т) 23 делителя тестового сигнала 4 от передающего устройства РЛС в режиме калибровки.
Диаграммообразующий сумматор 5 включает направленный ответвитель 13, m/4 фазовращателей (ФВ) 14, устройство управления (УУ) 15. Фазовращатели 14 осуществляют высокоскоростной фазовый сдвиг СВЧ-сигналов на 180° в соответствии с алгоритмом управления по команде, поступающей от РЛС по параллельной линии связи 7. Устройство управления 15 осуществляет преобразование информации, поступающей по параллельной линии связи для обеспечения инверсии формируемых диаграмм направленности (ДН) по входам сумматора, то есть на суммарном входе формируется разностная диаграмма направленности, а на разностном - суммарная диаграмма направленности.
При этом вход каждого фазовращателя 14 соединен с выходом устройства управления 15, а выходы всех фазовращателей 14 подключены к входам модулей приемо-передающих усилительных 3. Каждый приемо-передающий канал 10 (Фиг. 2) включает приемный и передающий каналы, объединенные с двух сторон циркуляторами 16, а также фазовращатель (ФВ) 17. Приемный канал ППК 10 включает защитное устройство (ЗУ) 18, малошумящий усилитель (МШУ) 19 и управляемый аттенюатор (Атт) 20, регулирующий уровень сигнала СВЧ в режиме приема. Передающий канал ППК 10 включает предварительный усилитель мощности (Пр. УМ) 21, выполняющий функцию модулятора и многокаскадный управляемый усилитель мощности (УУМ) 22.
Приемо-передающая активная фазированная антенная решетка осуществляет работу в режиме передачи, в режиме приема и в режиме калибровки следующим образом.
В режиме передачи сигнал СВЧ от передающего устройства РЛС подается на суммарный вход 8 диаграммообразующего сумматора 5. В сумматоре 5 осуществляется равномерное распределение сигнала на m/2 каналов. Сформированный по амплитуде сигнал с каждого выхода сумматора 5 подается на входы соответствующей подрешетки, образованной МППУ 3 и двумя линейками излучателей 2. В приемо-передающих каналах 10 фазовращателями 17 осуществляется требуемое фазовое распределение, модуляция сигнала СВЧ в предварительном усилителе мощности 21 и окончательное усиление в многокаскадном управляемом усилителе мощности 22. Сформированные таким образом сигналы СВЧ поступают на излучатели 1 и излучаются в пространство, формируя суммарную диаграмму направленности.
В режиме приема принимаемые излучателями 1 сигналы СВЧ поступают на выходы приемо-передающих каналов 10, через защитное устройство 18 подаются на малошумящий усилитель 19, усиливаются, регулируются по уровню управляемым аттенюатором 20 и через циркулятор 16 поступают на фазовращатель 17. Управляемые аттенюаторы 20 и фазовращатель 17 обеспечивают установление требуемых значений амплитудных и фазовых соотношений в соответствии с управляющими сигналами от устройства управления и контроля 12. Сигналы СВЧ с входов подрешеток, образованных модулем приемо-передающим усилительным 3 и двумя линейками излучателей 2, поступают на выходы сумматора 5, в котором происходит одновременное формирование суммарной и разностной диаграмм направленности.
В режиме калибровки сигнал СВЧ от передающего устройства РЛС подается на вход (Т) 23 делителя тестового сигнала 4, где осуществляется равномерное распределение сигнала на m/2 каналов. Сформированный по амплитуде сигнал с каждого выхода делителя тестового сигнала 4 подается на соответствующие входы линеек излучателей 2, где делится на два сигнала, которые поступают на соответствующие выходы приемо-передающих каналов 10. Пройдя весь высокочастотный тракт активной фазированной антенной решетки, сигнал с суммарного (Е) выхода 8 сумматора 5 поступает в РЛС для обработки. Результатом обработки является выработка управляющей команды, поступающей по последовательной линии связи 6 в УУК 12, где формируются сигналы управления, обеспечивающие установление требуемых значений амплитудных и фазовых соотношений в приемо-передающих каналах 10.
При работе приемо-передающей активной фазированной антенной решетки как в режимах приема и передачи, так и в режиме калибровки управление элементами приемо-передающего канала 10 осуществляется через устройство управления и контроля 12, обеспечивающее обмен информацией с радиолокационной станцией по последовательной линии связи 6. Каждая подрешетка, образованная модулем приемо-передающим усилительным 3 и двумя линейками излучателей 2, представляет собой оконечное устройство с автономным управлением приемо-передающим каналом 10, подключенное через устройство управления и контроля 12 к магистральной последовательной линии связи 6. При этом информация на все подрешетки передается одна и та же, а устройство управления и контроля 12 в зависимости от адреса местоположения конкретной подрешетки в приемо-передающей активной фазированной антенной решетке формирует сигналы управления во всех четырех приемо-передающих каналах 10 модуля приемо-передающего усилительного 3. Причем адрес местоположения подрешетки автоматически определяется устройством управления и контроля 12 при подаче питания на приемо-передающую активную фазированную антенную решетку.
Кроме того, при подаче управляющего сигнала от РЛС по параллельной линии связи 7 через устройство управления 15 быстродействующие фазовращатели 14 обеспечивают мгновенное изменение фазы сигнала СВЧ на 180° на соответствующих излучателях 1, при этом происходит инверсия формируемых диаграмм направленности по входам диаграммообразующего сумматора 5, то есть на суммарном входе 8 формируется разностная диаграмма направленности, а на разностном входе 9 - суммарная диаграмма направленности.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает создание приемо-передающей активной фазированной антенной решетки, отличающейся упрощенной схемой построения, реализующей одновременное формирование суммарной и разностной диаграмм направленности и автономную калибровку приемо-передающих каналов в составе объекта. Кроме того, достоинством предлагаемой схемы приемо-передающей активной фазированной антенной решетки является упрощение кабельной сети, достижение полной автономии управления приемо-передающими каналами вследствие применения последовательного интерфейса управления приемо-передающими каналами, а также возможность построения приемо-передающей активной фазированной антенной решетки с любым количеством подрешеток без корректировки алгоритмов управления РЛС.