КОЛЬЦЕВАЯ КОНЦЕНТРИЧЕСКАЯ МОДУЛЬНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
ANNULAR CONCENTRIC MODULAR ANTENNA LATTICE

Изобретение относится к антенной технике, в частности к проектированию активных фазированных антенных решеток (АФАР) и цифровых антенных решеток (ЦАР). Изобретение может использоваться в качестве приемной или передающей антенны с управляемой диаграммой направленности в различных радиотехнических системах.
Известна кольцевая фазированная антенная решетка, обеспечивающая широкодиапазонную работу при одном тракте питания. Кольцевая фазированная антенная решетка состоит из N плоских элементов (ПЭ), расположенных попарно симметрично по диагоналям апертуры КФАР /1/. Приведены соотношения размеров элементов, при которых реализуется наибольшая диапазонность КФАР при ее питании от одного фидерного тракта. К недостаткам антенной решетки можно отнести малое количество элементов и невозможность сканирования в широком диапазоне углов.
Известна кольцевая антенная решетка, состоящая из круглых подрешеток, расположенных через одинаковое угловое расстояние по одной окружности /2/. Основным недостатком данной решетки является то, что использование одного кольца не позволяет достичь низкого уровня боковых лепестков и широкого сектора сканирования.
Известна кольцевая концентрическая антенная решетка /3/. Представленная кольцевая концентрическая антенная решетка содержит излучатели, располагающиеся по концентрическим окружностям, при этом - на верхней стенке радиального волновода, на входе которого установлена поляризационная секция, размещены излучатели с согласующими ступенчатыми трансформаторами, а расстояние между стенками волновода составляет четверть длины волны, при этом для снижения уровня бокового излучения с внутренней стороны антенной решетки по окружности проложена радиопоглощающая ткань и определена схема размещения излучателей в антенной решетке. Недостатком данной антенной решетки является конструктивная сложность, сложность изменения расположения элементов для достижения минимального УБЛ.
Известна активная фазированная антенная решетка, содержащая излучатели, размещенные на экране и соединенные соответственно с приемопередающими модулями, при этом излучатели расположены равномерно не эквидистантно, а приемопередающие модули выполнены с возможностью цифровой обработки сигнала на несущей частоте, причем излучатели могут располагаться по концентрическим окружностям /4/. Основными недостатками этой антенной решетки являются усложненная распределительная система, достаточно высокое боковое и обратное излучением, увеличенные габаритные размеры антенного полотна и увеличенную массу, небольшую вибропрочность.
Наиболее близкой по достигаемому результату и технической сущности является фазированная антенная решетка, позволяющая увеличить расстояние между излучателями, не ухудшив направленные свойства при сканировании, а, следовательно, и характеристики разрешения всей радиосистемы /5/. Антенная решетка содержит N антенн, N-канальный управляемый фазовращатель и сумматор, причем N антенн выполнены всенаправленными и расположены эквидистантно. Представлены формулы для расчета положения фазовых центров каждой из N антенн. Однако, в рассматриваемой схеме построения антенной решетки, возможен обзор пространства только в азимутальной плоскости. Она также обладает достаточно высоким боковым и обратным излучением и имеет усложненную структуру излучающей и распределительной систем. Так же к недостатку этой кольцевой антенной решетки можно отнести невозможность использования в качестве АФАР. В АФАР каждому элементу антенной решетки соответствует приемный, передающий или приемо-передающий модуль. Современные требования к характеристикам АФАР приводят к необходимости использования большого количества элементов (более тысячи) расположенных на большой площади (более квадратного метра). Необходима разработка схемы суммирования/деления сигналов с выхода каждого модуля. Такая схема включает в себя СВЧ кабели и сумматоры/делители мощности. Максимальная длина кабелей определяется радиусом R кольцевой антенной решетки. При использовании такой схемы высокие потери в кабелях значительно ухудшают общую энергетику АФАР. К тому же большое количество кабелей приводит к увеличению габаритов и прочим конструктивным сложностям. Известно, что за счет вращения отдельных колец антенной решетки можно добиться уменьшения уровня боковых лепестков и дифракционных максимумов ДН АР. В представленной кольцевой АР это сложно реализуемо - необходимо перемещать и точно позиционировать каждый элемент по отдельности. Так же приемо-передающие модули включают в себя высокомощные усилители мощности (выходная мощность может составлять десятки ватт). Такие модули требуют отдельной системы охлаждения. В представленной кольцевой решетке потребуется охлаждать каждый приемопередающий модуль, что представляет собой крайне непростую задачу (обусловлено малыми габаритами модуля).
Задачей изобретения является улучшение энергетических характеристик, упрощение конструкции и повышение технологичности кольцевых антенных решеток.
Это достигается за счет того, что излучатели, расположенные по нескольким концентрическим окружностям, сгруппированы в строчно-столбцевые прямоугольные подрешетки, расположенные под разными углами по отношению друг к другу. Есть возможность изменять углы поворота подрешеток при настройке.
В такой концентрической модульной кольцевой антенной решетке необходимо суммировать сигналы с подрешеток, а не с отдельных излучателей, что существенно уменьшает количество кабелей и сумматоров/делителей. Это приводит к улучшению энергетических характеристик и упрощению конструкции антенной решетки.
Строчно-столбцевые прямоугольные подрешетки расположены под разными углами для уменьшения уровня боковых лепестков и дифракционных максимумов при сканировании. В представленной антенной решетке есть возможность изменения этих углов для получения наименьшего уровня боковых лепестков и дифракционных максимумов при настройке антенной решетки. При повороте подрешетки происходит поворот излучателей, что приводит к изменению поляризации. Эта проблема решается за счет компенсации поворота фазой для излучателей с круговой поляризацией. Для использования излучателей с линейной поляризацией поворот подрешетки компенсируется поворотом излучателя.
Для сгруппированных в строчно-столбцевые подрешетки модулей значительно проще разработать систему охлаждения. Простота разработки обусловлена габаритами подрешетки.
На Фиг. 1. представлена антенная решетка, состоящая из 30-ти подрешеток по 64 элемента в каждой (суммарно 1920 элементов).
В качестве примера можно привести антенную решетку, работающую в Ku-диапазоне. Размер решетки составляет 1,5 м × 1,5 м, 1920 элементов, распределенные по 30-ти классическим строчно-столбцевым подрешеткам. Подрешетки в каждом кольце повернуты на разный угол. В этом случае необходимо суммировать сигналы только с 30 унифицированных подрешеток, что в 64 раза уменьшает требуемое количество кабелей и значительно снижает количество сумматоров/делителей.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет упростить конструкцию, улучшить энергетические характеристики и повысить технологичность кольцевой концентрической АФАР или ЦАР.
Источники информации:
1. Патент РФ №2159488
2. Патент Китай №106450703
3. Патент РФ №154307 U1
4. Патент РФ №119530 U1
5. Патент РФ №2310956 - прототип