ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА
BROADBAND ANTENNA SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к радиолокации, в частности к широкополосным антенным системам, рабочий диапазон частот которых перекрывает несколько октав. Предполагается, что в одном из частотных диапазонов такая антенна сканирует и работает в активном и пассивном режиме, а в остальных измеряет угловое положение источников излучения в пассивном.
Широкополосные антенные системы, перекрывающие диапазон 3-х 4-х октав, строятся путем совмещения антенн с разными не перекрывающимися частотными диапазонами на общей апертуре, при этом для каждого частотного диапазона используются независимые тракты питания.
Одной из проблем конструирования таких антенн является обеспечение конструктивной совместимости антенн разных частотных диапазонов, при которой обеспечивается простота изготовления, максимально возможный коэффициент усиления (КУ) активного канала и допустимый в радиусе обнаружения и рабочем диапазоне частот КУ пассивного канала.
Известна антенная система [1], в которой широкополосность (2-16 ГГц) обеспечивается облучением фазированной антенной решетки (ФАР) через широкополосный рупор. Каждый элемент ФАР рассчитан на работу в одном из 3-х диапазонов 2-4 ГГц, 4-8 ГГц, 8-16 ГГц. Сигнал рупора, принимаемый элементом ФАР, фильтруется полосовым фильтром, сдвигается по фазе в соответствии с направлением излучения и положением элемента ФАР, фильтруется полосовым фильтром и излучается. При приеме сигнал поступает обратно по тому же пути на приемо-передающие элементы ФАР, которые сдвигают фазу принимаемых сигналов в соответствии с направлением приема и переизлучают их на широкополосный рупор, приемопередатчик соединен с рупором через три циркулятора, каждый из которых работает в одном из рабочих диапазонов ФАР. Шаг между приемо-передающими элементами ФАР равен половине длины волны центральной частоты диапазона, соотношение расстояний между ближайшими элементами ФАР на разных диапазонах равно 4:6:7.
Недостатком системы является сниженный как минимум вдвое КУ антенны, т.к. размер апертуры каждого элемента ФАР менее половины длины волны принимаемого сигнала. Кроме того, конструкция антенной системы не позволяет снизить нижнюю рабочую частоту до 1 ГГц
Другая широкополосная антенная система [2] построена также на базе ФАР и перекрывает две октавы. Каждый диапазон частот перекрывается либо полосковыми (1-й диапазон 2,2-5,1 ГГц, 2-й диапазон 5-8 ГГц), либо волноводными (3-й диапазон 8-10 ГГц) излучателями. Расстояние d между излучающими волноводами меньше половины длины волны высокочастотного диапазона, расстояние между излучающими элементам низкочастотного диапазона равно 2d по вертикальной оси и d по горизонтальной оси соответственно. Полосковые излучатели 1-го и 2-го диапазонов чередуются по горизонтальной оси с периодом 2d, встроены между излучающими волноводами и выступают над волноводным раскрывом ФАР. Все элементы ФАР запитываются через делители мощности и управляемые фазовращатели.
Недостатком антенной системы [2] несмотря на то, что размер апертуры элементов ФАР 3-го диапазона равен шагу между элементами ФАР 3-го диапазона, является их экранирование полосковыми антеннами 1-го и 2-го диапазонов, что снижает КУ активного канала.
Антенная система [3] принята в качестве прототипа. В этой двухзеркальной антенной системе в качестве неподвижного зеркала используется параболический цилиндр, в фокусной плоскости которого параллельно образующей цилиндра расположены три линейные фазированные антенные решетки (ЛФАР), при этом центральная ЛФАР является приемо-передающей, а две другие ЛФАР являются приемными. Угломестное сканирование обеспечивается перестройкой углового положения твист-рефлектора, азимутальное сканирование диаграммы направленности антенны (ДНА) на передачу выполняется с помощью центральной ЛФАР, моноимпульсный прием сигнала в азимутальной плоскости обеспечивается обработкой сигнала, принятого каждой из ЛФАР, моноимпульсный прием в угломестной плоскости обеспечивается использованием разности сигналов, полученных двумя боковыми ЛФАР, в качестве суммарной ДНА при угломестном и азимутальном приеме используется суммарный сигнал, полученный от центральной ЛФАР на заданном направлении.
Достоинством комбинированной антенной системы является малое число элементов ФАР, обеспечивающих высокую скорость сканирования ДНА в азимутальной плоскости в диапазоне ±40 град, и большее КУ по сравнению с антенной системой ФАР той же апертуры, дешевизна и простота конструкции.
Недостатком антенной системы является ограниченный диапазон рабочих частот 4-16 ГГц, не позволяющий работать пассивному каналу РЛС в диапазоне 1-4 ГГц.
Целью предлагаемого изобретения является расширение диапазона рабочих частот комбинированной антенной системы, работающей в активном и пассивном режимах
Поставленная цель реализуется тем, что в комбинированную антенную систему [3] вводится кольцевая антенная решетка из логопериодических вибраторных антенн, работающая в низкочастотном (НЧ) диапазоне, и широкополосный приемник сигнала, принимающий сигнал кольцевой решетки. Широкополосный приемник переносит сигнал кольцевой решетки на промежуточную частоту и усиливает по мощности. Выход широкополосного приемника через процессор выводится потребителю для вычисления углового положения источника сигнала в НЧ-диапазоне.
Для достижения поставленной цели в комбинированную антенную систему [3], содержащую параболическое не подвижное зеркало, выполненное из проволок круглого или прямоугольного сечения, лежащих в вертикальной плоскости, подвижный твист-рефлектор, ось вращения которого параллельна образующей параболического цилиндра и проходит через его фокус, привод антенной системы, первый выход которого соединен с осью вращения твист-рефлектора, первая, вторая и третья ЛФАР расположены в фокальной плоскости параболического цилиндра, параллельно его образующей, первая и третья ЛФАР расположены симметрично относительно второй ЛФАР, разнос первой и третьей ЛФАР обеспечивает формирование двух лучей с равносигнальным направлением по уровню 0,7 в угломестной плоскости, вторая ЛФАР находится в осевой плоскости параболического цилиндра, многоканальное приемо-передающее устройство, датчик угла, расположенный на оси твист-рефлектора, и процессор, при этом каждая ЛФАР содержит одинаковое число N приемо-передающих элементов, входы-выходы первой, второй и третьей ЛФАР соединены с первым, вторым и третьим входом-выходом многоканального приемо-передающего устройства соответственно, пятый, шестой и седьмой вход-выход многоканального приемо-передающего устройства соединен с первым, вторым и третьим сигнальным входом-выходом процессора соответственно, четвертый вход-выход процессора является управляющим, соединенным с четвертым входом-выходом многоканального приемо-передающего устройства и вторыми входами-выходами датчика угла и привода соответственно, первый вход датчика угла механически соединен с осью вращения твист-рефлектора, пятый вход-выход процессора является интерфейсным входом-выходом антенной системы, многоканальное приемо-передающее устройство на втором входе-выходе формирует при передаче N канальный СВЧ-сигнал возбуждения параболического цилиндра, управляемый по амплитуде и фазе, обеспечивающий перестройку ДНА антенной системы в азимутальной плоскости, при приеме сигналы каждой из ЛФАР в многоканальном приемо-передающем устройстве переносятся на промежуточную частоту, усиливаются, переносятся на видеочастоту с получением квадратур, оцифровываются и выдаются с пятого, шестого и седьмого выходов на первый, второй и третий вход выход процессора соответственно, в процессоре весовой обработкой выходных сигналов многоканального приемопередатчика получают суммарный и разностные сигналы по азимуту и углу места, которые выводятся на последующую обработку через пятый вход-выход, дополнительно введены кольцевая антенная решетка из К логопериодических вибраторных антенн и широкополосный приемник, при этом логопериодические вибраторные антенны расположены между параболическим цилиндром и плоскостью, ортогональной продольной оси антенны и проходящей через ось вращения твист-рефлектора, логопериодические вибраторные антенны ориентированы параллельно оси антенной системы в направлении полета летательного аппарата и находятся на цилиндрической поверхности, ограничивающей поперечные размеры антенной системы, вибраторы логопериодических вибраторных антенн выполнены в виде полосковых проводников, расположенных с двух сторон плоского диэлектрического основания, входы широкополосного приемника с третьего по (K+2)-й соединены с выходами с первой по K-й логопериодической вибраторной антенны соответственно, первый и второй вход-выход широкополосного приемника соединены с шестым и четвертым входом-выходом процессора соответственно.
Сущность изобретения поясняется дальнейшим описанием со ссылками на следующие чертежи.
На фиг.1 представлена структурная схема антенной системы.
На фиг.2 представлена геометрия k-го элемента кольцевой антенной решетки, являющегося логоперидической вибраторной антенной 2-k.
На фиг.3 представлена геометрия приемных ДНА в угломестной плоскости при работе в ВЧ-диапазоне частот.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - параболический цилиндр;
2-k - k-я логоперидическая вибраторная антенна (ЛПА-k), являющаяся k-м элементом кольцевой антенной решетки;
3 - твист-рефлектор;
4 - третья ЛФАР;
5 - вторая ЛФАР;
6 - первая ЛФАР;
7 - широкополосный приемник (ШПР);
8 - многоканальное приемо-передающее устройство (ППУ);
9 - датчик угла (ДУ);
10 - процессор (ПРЦ);
11 - привод (ПРИВ).
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>K</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
На фиг.1 ось вращения твист-рефлектора 3 параллельна образующей параболического цилиндра 1 и проходит через его фокус, первая 4, вторая 5 и третья 6 ЛФАР расположены в фокальной плоскости параболического цилиндра 1, параллельно его образующей, первая 4 и третья 6 ЛФАР расположены симметрично относительно второй ЛФАР 5, вторая ЛФАР 5 находится в осевой плоскости параболического цилиндра 1, входы-выходы первой 4, второй 5 и третьей 6 ЛФАР соединены с первым, вторым и третьим входом-выходом многоканального приемо-передающего устройства 8 соответственно, пятый, шестой и седьмой вход-выход многоканального приемо-передающего устройства 8 соединен с первым, вторым и третьим сигнальным входом-выходом процессора 10 соответственно, шестой вход-выход процессора 10 соединен с первым входом-выходом широкополосного приемника 7, четвертый вход-выход процессора 10 является управляющим входом-выходом, соединенным с четвертым входом-выходом многоканального приемо-передающего устройства 8, вторыми входами-выходами широкополосного приемника 7, датчика угла 9 и привода 11 соответственно, первый вход датчика угла 9 и первый выход привода 11 механически соединены с осью вращения твист-рефлектора 3, входы широкополосного приемника 7 с третьего по (K+2)-й соединены с выходами вибраторных антенн (2-k) соответственно, где
, пятый вход-выход процессора 10 является входом-выходом антенной системы.
На фиг.2 изображен (2-k) элемент кольцевой антенной решетки в виде логопериодической вибраторной антенны.
Цифрами на фиг.2 обозначены:
12 - симметричные вибраторы;
13 - коаксиальный кабель связи логопериодической вибраторной антенны с широкополосным приемником 7;
14 - верхний полосковый проводник двухпроводной линии питания вибраторов;
15 - нижний полосковый проводник двухпроводной линии питания вибраторов;
16 - диэлектрическое основание;
17 - центральный проводник коаксиального кабеля 13;
18 - сквозное отверстие диэлектрической платы 16;
19 - короткозамыкатель.
q
1
q
1
1
1
q-1
q-1
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>Q</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
На фиг.2 логопериодическая вибраторная антенна 2-k содержит Q полосковых симметричных вибраторов 12 с изменяющейся по геометрической прогрессии длиной l=lτ и шириной s=sτ, где l, s соответственно длина и ширина наибольшего вибратора,
, τ - коэффициент, меньший 1, коаксиальный кабель 13 и двухпроводную линию питания вибраторов 12 из двух 14 и 15 полосковых проводников одинаковой ширины b, разделенных диэлектрическим основанием 16 толщиной h. Полосковые симметричные вибраторы 12, проводники 14 и 15 двухпроводной линии выполнены печатным методом с двух сторон диэлектрического основания 16. Внутренний проводник 17 коаксиального кабеля 13 через отверстие 18 возле наименьшего вибратора 12 соединен с нижним полосковым проводником 15 двухпроводной линии питания вибраторов, внешний проводник коаксиального кабеля 13 имеет паяный гальванический контакт с верхним полосковым проводником 14 двухпроводной линии питания вибраторов, соединен короткозамыкателем 19 через сквозное отверстие в диэлектрической плате с нижним печатным проводником 15, плечи вибраторов 12 соединяются с верхним и нижним полосковыми проводниками поочередно через один. Штриховой линией показаны плечи вибраторов 12-q, соединенных с нижним полосковым проводником 15, сплошной линией показаны плечи вибраторов 12-q, соединенных с верхним полосковым проводником 14.
Расчет логопериодической вибраторной антенны 2-k в требуемом частотном диапазоне может быть проведен в соответствии с [4].
В качестве твист-рефлектора 3, работающего в широком частотном диапазоне, может быть использован твист-рефлектор [5].
В качестве элементов ЛФАР 4, 5, 6, работающих в диапазоне 4-15 ГГц, могут быть использованы волноводно-рупорные антенны [6].
В качестве приемо-передающих модулей многоканального приемо-передающего устройства 8 могут быть использованы модули [7].
В качестве процессора 10 может быть использована бортовая вычислительная машина ВБ-480-01.
Другие элементы, входящие в антенную систему, широко используются в радиолокации и не требуют пояснений по реализации.
Работа широкополосной антенной системы в активном и пассивном режимах происходит раздельно в следующей последовательности. На процессор 10 через пятый вход-выход вводятся данные о режиме работы системы (пассивном или активном) и исходные данные на работу.
В активном режиме исходными данными могут быть данные о угловом положении цели и параметрах излучаемого сигнала (несущая частота и модуляция сигнала).
В пассивном режиме исходными данными могут быть данные о диапазоне рабочих частот приема и угловой диапазон поиска источников излучения.
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>K</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Работа в НЧ-диапазоне 0,8-4,0 ГГц производится только в пассивном режиме. При этом процессор 10 отключает через четвертый вход-выход приемо-передающее устройство 8 и включает широкополосный приемник 7 в режим перестраиваемого по частоте приема (управляет текущей частотой приема пространственного сигнала). Пространственный сигнал, принимаемый логопериодическими антеннами 2-k, где
, поступает в широкополосный приемник 7, где переносится на промежуточную частоту, оцифровывается и в квадратуре выдается через первый вход-выход на шестой вход-выход процессора 10, где через пятый вход-выход выдает потребителю полученный на видеочастоте пространственный сигнал для последующей обработки совместно с частотой приема, на которой он был получен.
Элемент кольцевой антенной решетки в виде логопериодической вибраторной антенны 2-k приведен на фиг.2.
n
Логопериодическая вибраторная антенна 2-k при приеме работает следующим образом. Внешний СВЧ-сигнал возбуждает вибраторы 12 логопериодической антенны. Наиболее интенсивно возбуждаются вибраторы, длины l которых близки к резонансным.
Сигналы вибраторов по двухпроводной линии, содержащей верхний 14 и нижний полосковый провод 15, распространяются в сторону самого короткого симметричного вибратора 12, суммируются и через коаксиальный кабель 13 выводятся на соответствующий вход широкополосного приемника 7.
Работа широкополосной антенной системы в пассивном режиме высокочастотного (ВЧ) диапазона (4-15 ГГц) управляется процессором 10. Здесь производится угломестное механическое сканирование ДНА за счет перестройки углового положения твист-рефлектора 3.
При переходе широкополосной антенной системы в режимом пассивной работы в ВЧ-диапазоне процессор 10 отключает широкополосный приемник 7, включает перестраиваемый по частоте прием сигнала в многоканальным приемо-передающем устройстве 8 и выдает на привод 11 команду, по которой перестраивается угловое положение твист-рефлектора 3, соответственно угломестное положение приемной ДНА (режим механического сканирования ДНА по углу места). В процессе отработки команды, выданной на привод 11, процессор 10 сравнивает текущее угловое положение твист-рефлектора 3 по данным, приходящим с датчика угла 9, с расчетным для текущего положения оси сканирующей ДНА в угломестной плоскости. Сигнал рассогласования, полученный процессором 10, через обратную связь на привод 11 перемещает ось приемной ДНА в соответствии расчетным по времени угломестным положением.
Пространственный сигнал, принятый первой 6, второй 5 и третьей ЛФАР 4, поступает на третий, второй и первый входы многоканального приемо-передающего устройства 8, который по управляющему сигналу с четвертого входа-выхода процессора 10 перестраивается в процессе поиска сигнала по частоте приема, переносится на промежуточную частоту, усиливается, переносится на видеочастоту с получением квадратур, оцифровывается и выводится на первый, второй и третий входы-выходы процессора 10 соответственно. Процессор 10 через пятый вход-выход передает его потребителю для последующей обработки со значением частоты приема и угломестного направления приемной ДНА, на которых был принят.
В активном режиме работа широкополосной антенной системы производится только в ВЧ-диапазоне через двухзеркальную антенну, содержащую параболический рефлектор 2, твист-рефлектор 3, линейные фазированные решетки 4, 5 и 6.
По исходным данным потребителя о секторе поиска процессор 10 через привод 11, твист-рефлектор 3 и датчик угла 9 производит установку угломестной оси ДНА на излучение и прием, включает многоканальное приемо-передающее устройство 8 как на прием, так и на передачу.
Установка оси передающей ДНА в угломестной плоскости производится аналогично установке приемной ДНА в пассивном режиме. Азимутальное положение оси передающей ДНА устанавливается процессором 10 через команды управления амплитудой и фазой сигнала, формируемого многоканальным приемо-передающим устройством 8 и поступающим на вторую ЛФАР 5, расположенную в фокусной плоскости параболического цилиндра 1. При передаче пространственный сигнал ЛФАР 5 имеет вертикальную поляризацию, переотражается параболическим цилиндром 1 в сторону твист-рефлектора 3. Сигнал, отраженный твист-рефлектором 3, изменяет поляризацию сигнала на ортогональную, поэтому проходит через параболический цилиндр 1 в заданную настройкой сторону излучения.
Цилиндрический параболоид 1 выполняется в виде проволок круглого или квадратного сечения, расположенных с постоянным шагом параллельно плоскости вертикальной поляризации, поэтому является отражающим для сигналов с вертикальной поляризацией и прозрачным для сигналов с горизонтальной поляризацией. Твист-рефлектор 3 содержит поляризационную структуру из параллельных проводников, расположенных с постоянным шагом над проводящей поверхностью под углом 45 градусов к вектору поляризации падающей волны.
Прием сигнала в активном режиме аналогичен приему сигнала в пассивном режиме. Горизонтально поляризованный сигнал проходит через поляризационную структуру параболического цилиндра 1 на твист-рефлектор 3, где отражается с изменением поляризации на вертикальную в сторону параболического цилиндра 1. Сигнал, отраженный параболическим цилиндром 1, через третью 4, вторую 5 и первую 6 ЛФАР поступает на соответствующие входы многоканального приемо-передающего устройства 8, настроенного процессором 10 на прием сигнала на частоте излучения (переносится на промежуточную частоту, усиливается в рабочей полосе частот, переносится на видеочастоту с получением квадратур, оцифровывается и выводится на первый, второй и третий входы-выходы процессора 10 соответственно). Первая 6, вторая 5 и третья 4 ЛФАР расположены параллельно с одинаковым шагом, при этом на прием образуются три разнесенных в угломестной плоскости луча (фиг.3), разнос первой и третьей ЛФАР обеспечивает разнос крайних лучей на ширину ДНА, соответственно их равносигнальное направление совпадает с осью центрального луча.
В активном режиме процессор 10 с помощью весовой обработки сигналов на выходах многоканального приемо-передающего устройства 9 формирует суммарный и разностные сигналы по азимуту и углу места, которые выдаются через пятый вход-выход на последующую обработку в РЛС. Веса, используемые при обработке принятого сигнала, зависят от заданного направления приема.
Техническим преимуществом предлагаемой широкополосной антенной системы по сравнению с прототипом является работа в активном и пассивном режимах, увеличение диапазона рабочих частот в пассивном режиме, высокая скорость измерения угловых координат источников излучения в НЧ- и ВЧ-диапазонах за счет пространственной обработки сигнала кольцевой антенной решетки и ЛФАР соответственно с сохранением параметров в активном режиме (высокого коэффициента усиления, высокой скорости сканирования передающей ДНА в азимутальной плоскости, дешевизны за счет умеренного числа элементов ФАР, необходимых для формирования требуемой сканирующей в широком диапазоне углов ДНА).
Изготовление и испытания широкополосной антенной системы подтвердили ее эффективность, связанную с увеличением диапазона рабочих частот при незначительных габаритно массовых затратах с сохранением параметров активного канала в отводимых габаритах. Диапазон рабочих частот пассивного канала составил 0,8-15 ГГц, диапазон перестройки ДНА в ВЧ-диапазоне по данным макетирования составил по азимуту ±40° и ±45° по углу места, в НЧ-диапазоне диапазон углов обнаружения составил ±15° по азимуту и углу места.
Пользуясь сведениями, представленными в материалах заявки, широкополосная антенная система может быть изготовлена по существующей известной в радиопромышленности технологии и использована в навигационных РЛС, работающих в системах наведения ЛА в активном и пассивном режимах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент США 5389939 "Ultra wideband passed array antenna" Feb, 1995.
2. Патент США 5557291 "Multiband, phased array antenna interleaved tapered element and waveguide radiators", Sept, 1996.
3. Заявка на выдачу патента России №20112577/07 (018612) от 1.4.12. "Комбинированная антенна Кассегрена с возбуждением от фазированной антенной решетки". Положительное решение о выдаче патента от 17.4.12.
4. Петров Б.М. и др. "Логопериодические вибраторные антенны". Учебное пособие для вузов - М: Горячая линия-Телеком, 2005.
5. Патент России №2201022 от 20.03.2003 "Твист-рефлектор".
6. Заявка на выдачу патента России №2011119843 от 17.5.11
"Малогабаритная широкополосная волноводно-рупорная антенна и конструкция антенной решетки на ее базе".
7. Патент США №6441783 "Circuit module for a phased array" Jul, 2002.