ДВУМЕРНАЯ МОНОИМПУЛЬСНАЯ АНТЕННА С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ЛУЧОМ
TWO-DIMENSIONAL MONOPULSE ANTENNA WITH ELECTRONICALLY CONTROLLED BEAM

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в СВЧ антенной технике в составе антенных решеток различного назначения.
Известна статья «Главный распределитель для малоразмерной ФАР с оптимизированными характеристиками излучения», «Антенны», вып.2(93), 2005 г., авт. Позднякова Р.Д, Ястребов Б.П., Епишкина В.Н. и др., в которой приведено схемное решение по реализации способа одновременного формирования оптимальных амплитудных распределений по суммарному и разностному каналам. Это достигается за счет введения второй распределительной системы, связанной с первой ответвленными каналами через фазирующие секции. Недостатками приведенного технического решения являются существенные конструктивные усложнения устройства, а также обеспечение работы только с одним независимо сканирующим лучом.
Известна статья «Beamformer Architectures for Active Phased-Array Radar Antennas» IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol.47, №3, March 1999, авт. Ashok K.Agrawal and Eric L.Holzman, в которой обсуждается ряд вариантов построения диаграммообразующих схем для пассивных и активных ФАР. Основным элементом для устройств распределения и суммирования СВЧ-сигналов выбран гибридный элемент. Использование такого элемента в волноводных вариантах схем, применяемых для пассивных ФАР, приводит к существенному усложнению конструкции, увеличению габаритных размеров и массы. Применение микрополосковых вариантов таких схем для активных ФАР возможно, но приводит к увеличению вносимых потерь на 5÷6 дБ по сравнению с волноводными.
H
E
Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является антенная система (RU 2300833 С1, опубл. 10.06.2007 г.), содержащая двухмерную моноимпульсную фазированную антенную решетку, состоящую из линеек излучателей, соединенных с линейками фазовращателей, волноводного распределителя, выполненного из направленных ответвителей и магистральных волноводов, а также СВЧ-сумматора, причем волноводный распределитель состоит из М линейных распределителей первого типа, сгруппированных по четвертям и построчно заполняющих весь раскрыв двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки, и четырех линейных распределителей второго типа, расположенных ортогонально М линейным распределителям первого типа, при этом входы распределителей второго типа соединены с соответствующими выходами СВЧ- сумматора. Каждый из волноводных выходов направленных ответвителей этих распределителей соединен с соответствующим магистральным волноводом линейных распределителей первого типа, каждый из четырех линейных распределителей второго типа выполнен из двух делителей: основного и дополнительного. Основные делители линейного распределителя второго типа и все линейные распределители первого типа выполнены на основе направленных ответвителей с пересекающимися под углом 65-80° каналами таким образом, что волноводные выходы линейных распределителей первого типа из разных половин раскрыва, соответственно левой и правой, верхней и нижней, образуют эквидистантную структуру в обеих плоскостях с периодом d≤0,63λ в плоскости линейного распределителя первого типа и периодом d≤0,49λ в плоскости линейного распределителя второго типа. В плечах волноводных выходов основных делителей линейных распределителей второго типа, в которые направленно ответвляется СВЧ-энергия, установлены волноводные уголки, обеспечивающие повороты в Н и Е плоскостях и трансформацию сечений волновода. К каждому из плеч основных делителей линейных рапределителей второго типа, в которые не ответвляется СВЧ-энергия, присоединены через волноводные фазосдвигающие секции волноводные выходы направленных ответвителей дополнительных делителей линейных распределителей второго типа, каждый из которых представляет собой ряд направленных ответвителей, объединенных магистральным волноводом, вход которого соединен с соответствующим выходом дополнительного СВЧ-сумматора. В свою очередь, вход этого сумматора, как и вход основного сумматора, на которых формируются разностные характеристики в плоскости расположения распределителя второго типа, соединены через фазосдвигающие секции с выходами волноводного направленного ответвителя.
Недостатком приводимого технического решения являются громоздкость конструкции, а также обеспечение работы только с одним независимо сканирующим лучом.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что двухмерная моноимпульсная антенна с электронным управлением лучом состоит из линеек излучателей, фазовращателей и распределительной системы, выполненной из распределителей первого типа, входы которых соединены с соответствующими выходами распределителя второго типа, входы которых соединены, соответственно, с выходами основного и дополнительного СВЧ-сумматоров, соединенных между собой по одному разностному входу через фазирующие секции и направленный ответвитель.
Новыми признаками заявленного технического решения является то, что в двухмерной моноимпульсной антенне с электронным управлением лучом в каждом канале между выходами линеек распределителей первого типа и фазовращателями, а также между фазовращателями и соответствующими каналами линеек излучателей двумя своими плечами присоединены циркуляторы, обеспечивающие передачу СВЧ-сигнала от линеек распределителей первого типа к линейкам излучателей, при этом третьи плечи циркуляторов присоединены к разделяющим устройствам таким образом, что сигналы от линеек излучателей через циркуляторы поступают на выходы разделяющих устройств, одни из входов которых через дополнительные фазовращатели соединены с выходами линеек распределителей первого типа, а другие входы через другие дополнительные фазовращатели - с выходами второй, независимой, распределительной системы, состоящей из распределителей третьего типа, входы которых соединены с соответствующими выходами распределителя четвертого типа, входы которых, соединены с соответствующими выходами второго дополнительного сумматора, причем распределители первого, третьего и четвертого типов выполнены на гибридных балансных элементах по параллельной схеме деления сигнала.
H
E
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение работы второго независимо сканирующего луча «на прием» за счет введения независимой распределительной системы, разделяющих устройств и дополнительных фазовращателей в каждом канале без изменения периодов d и d в обоих плоскостях структуры раскрыва и при сохранении достаточно высокой энергетической эффективности двухмерной моноимпульсной антенны с электронным управлением лучом при уменьшении габаритных размеров и массы.
H
E
Это достигнуто за счет использования в качестве распределителей первого типа распределителей, выполненных по параллельной схеме деления сигнала, выполненной на гибридных балансных элементах в микрополосковом исполнении, при этом распределитель второго типа волноводный и выполнен по последовательной схеме деления сигнала, что обеспечивает, в целом, достаточно высокую энергетическую эффективность PC. Вновь вводимая распределительная система (PC) (распределители третьего, четвертого типов и второй дополнительный СВЧ-сумматор) выполнена по параллельной схеме деления сигнала на гибридных балансных элементах. Такое техническое решение обеспечивает встраивание независимой PC без изменения структуры раскрыва (периодов d и d) при обеспечении высокой энергетической эффективности PC, обеспечивающей работу с первым лучом.
На фиг.1 приведена функциональная схема двумерной фазированной антенной решетки с электронным управлением лучом.
На фиг.2 приведено схематическое изображение двумерной фазированной антенной решетки с электронным управлением лучом.
Двумерная моноимпульсная антенна с электронным управлением лучом состоит из линеек излучателей 1, выполненных из ряда отдельных каналов, линеек фазовращателей и разделяющих устройств 2, выполненных из ряда отдельных каналов, каждый из которых состоит из первого циркулятора 3, второго циркулятора 4, первого фазовращателя 5, второго фазовращателя 6, третьего фазовращателя 7 и разделяющего устройства 8, двух независимых распределительных систем. Первая независимая распределительная система состоит из линеек распределителей первого типа 9 и линеек распределителей второго типа 10, основного СВЧ-сумматора 13, первого дополнительного СВЧ-сумматора 14, а также направленного ответвителя 16, первой фазирующей секции 17 и второй фазирующей секции 18. Вторая независимая распределительная система состоит из линеек распределителей третьего типа 11, линеек распределителей четвертого типа 12, второго дополнительного СВЧ-сумматора 15. Линейки излучателей 1 соединены с выходными каналами линеек фазовращателей и разделяющих устройств 2, в каждом из которых происходит разделение сигналов в две цепи - в одной с вторым фазовращателем 6, а в другой - с третьим фазовращателем 7, при этом входы этих цепей образуют пары, одни из входов которых соединены с выходами линеек распределителей первого типа 9, а другие - с выходами линеек распределителей третьего типа 11. Далее входы линеек распределителей первого типа 9 соединены с соответствующими выходами линеек распределителей второго типа 10, а входы линеек распределителей третьего типа 11 соединены с соответствующими выходами линеек распределителей четвертого типа 12, а затем входы линеек распределителей второго типа 10 соединены с соответствующими выходами основного СВЧ-сумматора 13 и первого дополнительного СВЧ-сумматора 14, а входы линеек распределителей четвертого типа 12 соединены с выходами второго дополнительного СВЧ-сумматора 15. При этом на входах основного СВЧ-сумматора 13 формируются суммарно-разностные диаграммы (суммарная, разностная в плоскости расположения линеек распределителей первого типа 9 и разностно-разностная), разностная диаграмма в плоскости расположения линеек распределителя второго типа 10 формируется по входу направленного ответвителя 16, а по входам второго дополнительного СВЧ-сумматора 15 формируются суммарно-разностные ДН для сигналов, пришедших с направлений, соответствующих фазовым фронтам, создаваемых при помощи фазовращателей 7.
Предлагаемая двумерная фазированная антенная решетка с электронным управлением лучом работает следующим образом. При подаче СВЧ-сигнала на суммарный вход (“Σ”) основного СВЧ-сумматора 13 происходит распределение его через основной СВЧ-сумматор 13 и линейные распределители второго типа 10 по линейкам распределителей первого типа 9, которые, в свою очередь, через первый и второй циркуляторы 3,4 и фазовращатели 5, формирующие заданные фазовые характеристики в каждом канале и разделяющие цепи передающего и приемного каналов, запитывают линейки излучателей 1, создавая в раскрыве двухмерной ФАР с электронным управлением лучом заданные амплитудно-фазовые распределения и формируя, соответственно, заданную диаграмму направленности при работе «на передачу».
При работе «на прием», при поступление сигналов на раскрыв антенны, они через циркулятор 3 поступают на разделяющее устройство 8 и после деления на две части одни из них через фазовращатель 6 поступают на выходы линеек распределителей первого типа 9, и далее сигналы с фазами в каждом канале, соответствующими фазовому фронту излученных сигналов, суммируются в этих линейках и формируют в результате на своих входах сигналы, которые далее поступают в линейки распределителей второго типа 10 и, суммируясь в каждой из них, поступают на выходы основного СВЧ-сумматора 13 и первого дополнительного СВЧ-сумматора 14.
В результате, на входах основного СВЧ-сумматора 13 формируются суммарная и две разностные диаграммы направленности, а еще одна разностная диаграмма направленности для плоскости, в которой расположен распределитель второго типа 10, и соответствующая оптимальной форме амплитудного распределения, формируется на входе направленного ответвителя 16 после сложения в определенных амплитудно-фазовых соотношениях сигналов от основного СВЧ-сумматора 13 и первого дополнительного СВЧ-сумматора 14 с учетом характеристик фазирующих секций 17 и 18. Вторая часть сигналов, после деления в разделяющем устройстве 8, поступает на третьи фазовращатели 7 и далее на линейки распределителей третьего типа 11, а затем и в линейки распределителей четвертого типа 12, в которых происходит сложение сигналов, но складываются только те сигналы, фазовый фронт которых в апертуре антенны соответствует фазовому распределению, установленному фазовращателями 7, остальные сигналы фильтруются линейками распределителей третьего типа 11. Далее эти сигналы поступают на выходы второго дополнительного СВЧ-сумматора 15, формируя в результате на его входах суммарно-разностные диаграммы для сигнала, пришедшего с направления, соответствующего фазовому фронту, формируемого фазовращателями 7.
H
E
Таким образом, технико-экономические преимущества предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключаются во встраивании без изменения структуры раскрыва (периодов d и d) антенны, второй независимой распределительной системы с разделяющими устройствами и дополнительными фазовращателями, обеспечивающими в совокупности формирование второго независимо сканирующего луча «на прием».
H
E
Результаты практической реализации предложенного технического решения не вызывают сомнения. Изготовлен и прошел испытания экспериментальный образец двумерной фазированной антенной решетки с электронным управлением лучом. Испытания подтвердили возможность достижения заявленного технического эффекта. В предлагаемой двумерной фазированной антенной решетке с электронным управлением лучом без изменения периодов решетки d и d встроена вторая независимая распределительная система с фазовращателями, циркуляторами и разделяющими устройствами, позволяющими сформировать в режиме «на прием» вторую независимо сканирующую суммарно-разностную диаграмму направленности.