Многоканальный приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки

Полезная модель относится к приемопередающим устройствам СВЧ колебаний, предназначенным для работы в составе активной фазированной антенной решетки (АФАР).
Известен блок приемопередающих модулей (ППМ) [1 - Активные фазированные антенные решетки, «Радиотехника / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. М., 2004, стр. 29, рис. 1.10], в состав которого входят: усилитель мощности, малошумящий усилитель с защитным устройством, управляемый четырехразрядный фазовращатель и аттенюатор, переключатели прием-передача на p-i-n диодах.
Недостатком известного устройства является возможность формирования только одного приемного луча, поскольку в ППМ используется один фазовращатель на прием, то есть может быть только одно фазовое соотношение с соседними каналами решетки.
Наиболее близким по сущности к предлагаемой полезной модели является блок приемопередающих модулей АФАР [2 - Патент РФ 2379802, «Блок приемопередающих модулей активной фазированной антенной решетки», опубликован 20.01.2010 г.], взятый за прототип, содержащий теплоотводящее основание, на котором размещены ППМ, каждый из которых содержит излучатель, соединенный со вторым контактом первого переключателя, третий и первый контакты которого соответственно соединены со входом приемного и с выходом передающего канала, выход приемного канала и вход передающего канала соединены с третьим и первым контактами второго переключателя, управляющие входы переключателей соединены с выходом синхронизатора, приемный канал каждого ППМ включает последовательно соединенные малошумящий усилитель-ограничитель, управляемый аттенюатор, управляемый фазовращатель, и усилитель, а передающий канал содержит последовательно соединенные управляемые фазовращатель, управляемый аттенюатор, предварительный усилитель и усилитель мощности, блок также содержит разъемы, соединенные с приемопередающим блоком активной фазированной антенной решетки (АФАР). Блок содержит четное количество ППМ, лежащее в пределах от двух до шести, и в него введены циркуляторы, число которых вдвое меньше числа ППМ, и последовательно соединенные фильтры и модуляторы, число которых равно количеству ППМ, при этом первые и вторые входы циркуляторов соединены со вторыми контактами вторых переключателей двух ППМ, выходы циркуляторов соединены с соответствующими разъемами блока, входы всех фильтров подключены к источнику постоянного напряжения, выходы модуляторов - к управляющим входам усилителей мощности передающих каналов ППМ, а управляющие входы модуляторов соединены с выходом синхронизатора.
Теплоотводящее основание блока выполнено в виде прямоугольной металлической пластины, на верхней стороне которой размещены ППМ симметрично относительно ее продольной оси, отвод тепла от блока осуществляется через нижнюю сторону теплоотводящего основания.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- возможность формирования только одного приемного луча, поскольку в ППМ используется один фазовращатель на прием, то есть может быть только одно фазовое соотношение с соседними каналами решетки. Однако современные антенные решетки для радиолокационных станций (РЛС) должны обеспечивать формирование нескольких приемных лучей, например, для снижения времени обзора пространства, а также организации моноимпульсного приема отраженного сигнала;
- низкую плотность монтажа узлов конструкции прототипа, так как она предназначена для установки узлов только на одной стороне теплоотводящего основания. Такая конструкция обуславливает избыточные размеры блока при увеличении числа каналов блока. В современной радиолокации используются многоэлементные антенные устройства с числом элементов до нескольких тысяч [1, стр. 76], что обуславливает необходимость использования многоканальных блоков для снижения числа взаимных связей между блоками и упрощения построения изделия в целом. Для построения сложных антенных устройств с большим числом элементов из-за низкой плотности монтажа в блоках необходимо использовать большое число блоков, а для обеспечения связей между ними необходимо увеличенное число разъемов и соответственно кабельных соединений, что значительно увеличивает вес и цену устройства.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в обеспечении возможности формирования многолучевой ДН и уменьшении размеров многоканального ППМ.
Для решения указанной задачи предлагается многоканальный приемопередающий модуль АФАР, содержащий блок синхронизации, циркуляторы, излучатели по числу каналов ППМ, теплоотводящее основание, на котором размещены приемо-передающие каналы, приемная часть канала включает малошумящий усилитель-ограничитель, а передающая часть канала содержит фазовращатель.
Согласно полезной модели, N излучателей конструктивно объединены в антенную решетку, их входы-выходы соединены со входами-выходами циркуляторов, выходы которых соединены со входами малошумящих усилителей-ограничителей, которые являются входами N-канального радиоприемника, каждый канал которого содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель-ограничитель и преобразователь частоты, гетеродинный вход которого является гетеродинным входом канала, управляющий вход является управляющим входом канала, а выход является выходом канала N-канального радиоприемника и соединен с одним из входов модуля управления и цифровой обработки сигналов, гетеродинные входы преобразователей частоты соединены с выходами первого делителя мощности, вход которого является гетеродинным входом N-канального радиоприемника, управляющие входы преобразователей частоты соединены с выходами устройства управления, вход-выход которого является управляющим входом-выходом N-канального радиоприемника и соединен с первым управляющим входом-выходом модуля управления и цифровой обработки сигналов, N-канальный фазовращатель содержит N фазовращателей, входы которых соединены с выходами второго делителя мощности, выходы - со входами циркуляторов, а управляющие входы - с выходами блока синхронизации, при этом вход второго делителя мощности является входом зондирующего сигнала устройства, второй управляющий вход-выход модуля управления и цифровой обработки сигналов соединен с управляющим входом-выходом блока синхронизации, вход управления соединен с выходом управления блока интерфейсов, выход данных соединен со входом данных блока интерфейсов, а вход сигнала дискретизации соединен с выходом дискретизации блока интерфейсов, выход гетеродина блока интерфейсов соединен со входом первого делителя, оптический вход управления и данных блока интерфейсов является входом-выходом управления и данных устройства, оптические входы синхронизации, дискретизации и гетеродина блока интерфейсов являются соответственно входами синхронизации, дискретизации и гетеродина устройства, выходы блока питания соединены со входами питания N-канального радиоприемника, модуля управления и цифровой обработки сигналов, блока синхронизации и блока интерфейсов, а вход блока питания является входом питания устройства.
При этом N-канальный радиоприемник, модуль управления и цифровой обработки сигналов, блок интерфейсов и блок питания размещены на верхней стороне теплоотводящего основания, а на нижней стороне теплоотводящего основания размещены N-канальный фазовращатель, блок синхронизации, второй делитель мощности, к передней части теплоотводящего основания прикреплена антенная решетка с излучателями.
Проведенный сравнительный анализ заявленной полезной модели и прототипа показывает:
- в предлагаемой полезной модели число циркуляторов соответствует числу каналов, в то время как в прототипе число циркуляторов вдвое меньше числа каналов;
- в предлагаемой полезной модели функциональные узлы устанавливаются на обеих сторонах теплоотводящего основания, что уменьшает размеры устройства при том же количестве функциональных узлов, устанавливаемых в одном корпусе, в то время как в прототипе функциональные узлы устанавливаются только на одной стороне теплоотводящего основания;
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого устройства из литературы не известны, поэтому оно соответствует критериям новизны.
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого многоканального приемопередающего модуля АФАР.
На фиг. 2 представлена структурная схема преобразователя частоты.
На фиг. 3 представлена структурная схема блока интерфейсов.
На фиг. 4 представлена структурная схема модуля управления и цифровой обработки сигналов.
Многоканальный приемопередающий модуль АФАР (фиг. 1) состоит из антенной решетки (АР) 1, содержащей N излучателей 2, входы-выходы которых соединены со входами-выходами N циркуляторов 3, выходы которых соединены со входами малошумящих усилителей-ограничителей (МШУ) 5, которые являются входами N-канального радиоприемника (РП) 4, каждый канал которого содержит последовательно соединенные МШУ 5 и преобразователь частоты (ПРЧ) 6, гетеродинный вход которого является гетеродинным входом канала, управляющий вход является управляющим входом канала, а выход является выходом канала N-канального РП 4 и соединен с одним из входов модуля управления и цифровой обработки сигналов (МУЦОС) 7. Гетеродинные входы ПРЧ 6 соединены с выходами первого делителя мощности 8. Управляющие входы ПРЧ 6 соединены с выходами устройства управления (УУ) 9, вход-выход которого является управляющим входом-выходом N-канального РП 4, и соединен с первым управляющим входом-выходом МУЦОС 7.
N-канальный фазовращатель (Ф) 10 содержит N фазовращателей (ФВ) 11, входы которых соединены с выходами второго делителя мощности 12, выходы - со входами циркуляторов 3, а управляющие входы - с выходами блока синхронизации (ВС) 13. Вход второго делителя мощности 12 является входом зондирующего сигнала (ЗС) устройства.
Второй управляющий вход-выход МУЦОС 7 соединен с управляющим входом-выходом блока синхронизации 13, вход управления МУЦОС 7 соединен с выходом управления блока интерфейсов (БИ) 14, выход данных соединен со входом данных БИ 14, а вход сигнала дискретизации Fд соединен с выходом дискретизации БИ 14.
Выход гетеродина БИ 14 соединен со входом первого делителя мощности 8. Оптический вход-выход управления и данных БИ 14 является входом управления и данных устройства, оптические входы синхронизации, дискретизации и гетеродина БИ 14 являются входами синхронизации, дискретизации и гетеродина устройства соответственно.
Выходы блока питания (БП) 15 соединены со входами питания N-канального радиоприемника 4, МУЦОС 7, блока синхронизации 13 и БИ 14, а вход блока питания 15 является входом питания устройства.
Преобразователь частоты 6 (фиг. 2) включает в себя последовательно соединенные смеситель (СМ) 16, вход которого является входом ПРЧ 6 и усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 17, выход которого является выходом ПРЧ 6, а вход управления является входом управления ПРЧ 6. Гетеродинный вход смесителя 16 является гетеродинным входом ПРЧ 6.
БИ 14 (фиг. 3) включает в себя оптический трансивер (ОТ) 18, оптический вход-выход которого является входом-выходом БИ 14, выход данных является выходом управления БИ 14, а вход данных - входом данных БИ 14. Оптический вход первого преобразователя оптико-электрического (ПОЭ) 19 является входом гетеродина БИ 14, а выход - выходом гетеродина БИ 14. Оптический вход второго ПОЭ 20 является входом сигнала дискретизации БИ 14, а выход - выходом сигнала дискретизации БИ 14. Оптический вход третьего ПОЭ 21 является входом синхронизации БИ 14, а выход - выходом синхронизации БИ 14.
МУЦОС 7 (фиг. 4) включает в себя N аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 22, входы которых являются входами МУЦОС 7, а выходы подключены к устройству управления и обработки (УУО) 23, и третий делитель мощности 24, вход которого является входом сигнала дискретизации Fд МУЦОС 7, а выходы подключены к тактирующим входам АЦП 22. Первый и второй управляющие входы-выходы УУО 23 являются первым и вторым управляющими входами-выходами МУЦОС 7, выход данных УУО 23 является выходом данных МУЦОС 7. Управляющий вход УУО 23 является управляющим входом МУЦОС 7. Вход синхронизации УУО 23 является входом синхронизации МУЦОС 7.
i
i
Предлагаемое устройство работает следующим образом. В режиме передачи зондирующий сигнал ЗС, поступающий на вход ЗС устройства, делится во втором делителе мощности 12 (фиг. 1) на N каналов и поступает на входы фазовращателей 11, где смещается по фазе на угол ϕ для формирования передающего луча в направлении θ. Величина ϕ для i-го канала определяется в соответствии с выражением
где k=2π/λ - фазовая постоянная пространства;
λ - длина волны сигнала;
d - расстояние между излучателями.
Далее сигналы с выходов фазовращателей 11 поступают через циркуляторы 3 на излучатели 2 и излучаются в пространство.
В режиме приема сигналы, принятые излучателями 2, поступают через циркуляторы 3 на входы N-канального радиоприемника 4, в каждом канале сигнал усиливается в малошумящем усилителе-ограничителе 5, преобразуется по частоте в диапазон промежуточной частоты (ПЧ) в смесителе 16 (фиг. 2), фильтруется и усиливается в УПЧ 17 и поступает далее на МУЦОС 7.
M
M
В МУЦОС 7 сигнал ПЧ поступает на входы АЦП 22 (фиг. 4), где подвергается дискретизации с частотой Fд. Полученные отсчеты сигнала Si поступают на входы УУО 23, где из них формируются отсчеты М приемных лучей в направлениях θ. Отсчеты каждого приемного луча D(θ) формируются путем суммирования отсчетов со всех N каналов, умноженных на взвешивающий множитель:
где  - взвешивающий множитель.
По сравнению с прототипом, предлагаемая полезная модель обеспечивает возможность формирования М приемных лучей, в то время как прототип имеет возможность формирования только одного приемного луча, поскольку в нем используется один фазовращатель на прием, то есть может быть только одно фазовое соотношение с соседними каналами решетки.
Предлагаемая полезная модель также обеспечивает уменьшение размеров многоканального ППМ за счет установки функциональных узлов на обеих сторонах теплоотводящего основания, в то время как в прототипе функциональные узлы устанавливаются только на одной стороне теплоотводящего основания.
Для проверки работоспособности предлагаемого устройства был изготовлен макет, испытания которого показали совпадение полученных характеристик с расчетными.