АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

Полезная модель относится к технике СВЧ, в частности к активным фазированным антенным решеткам (АФАР) и может быть использована в стационарных и бортовых радиолокационных станциях (РЛС).
Известна цифровая фазированная антенная решетка (ЦАР) описанная в «Method and apparatus for a digital phased array antenna» [US 6693590 B1 опубликовано 17.02.2004, МПК G01S 3/16]. Цифровая фазированная антенная решетка содержит антенную решетку с множеством антенных элементов расположенных на определенном расстоянии друг от друга для приема электромагнитного сигнала; множество аналого-цифровых преобразователей (АЦП), каждый из которых имеет вход и выход, вход соединен с соответствующим антенным элементом, для преобразования принятого аналогового сигнала в цифровую форму; структуру, предназначенную для регулирования цифровых сигналов полученных с выходов АЦП в части компенсации временных задержек цифровых сигналов вызванных приемом аналоговых сигналов элементами решетки в разные моменты времени; структуру для объединения сигналов в суммарный сигнал, включающую в себя множество демодуляторов, осуществляющих свертку цифрового сигнала поступающего с АЦП с опорным сигналом.
Недостатком указанного технического решения является работа антенной решетки только на прием сигнала, без возможности работы на излучение сигнала.
Известна «Активная фазированная антенная решетка» [RU 2451373 опубликовано 25.05.2012, МПК H01Q 3/26 (2006.01)], содержащая первый когерентный СВЧ-гетеродин, синхронизатор, первый и второй делители мощности, центральный процессор, N приемопередающих модулей (ППМ), первые входы которых соединены с одним из выходов первого делителя мощности, номер которого соответствует номеру ППМ. Вторые входы ППМ соединены с одним из выходов второго делителя мощности, номер которого соответствует номеру ППМ, третий выход синхронизатора соединен с входом второго делителя мощности, первый вход каждого ППМ через последовательно соединенные векторный модулятор, усилитель мощности, циркулятор и пятый вход-выход ППМ соединен с элементом антенной решетки (АР), номер которого соответствует номеру ППМ. Ключ защиты каждого ППМ соединен с входом малошумящего усилителя, фильтр промежуточной частоты каждого ППМ через аналого-цифровой преобразователь, шестой выход ППМ и сигнальную шину соединен с третьим (сигнальным) входом центрального процессора, первый и второй входы каждого ППМ соединены с одноименными входами векторного модулятора, первый вход векторного модулятора через квадратурный балансный смеситель соединен с четвертым выходом векторного модулятора, второй вход векторного модулятора через квадратурный генератор прямого цифрового синтеза (КГПС) соединен со вторым входом квадратурного балансного смесителя, третий вход которого соединен со вторым выходом КГПС. Дополнительно введены последовательно соединенные второй когерентный гетеродин и коммутатор, выход которого соединен с входом первого делителя мощности, преселектор, смеситель и программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) в каждый ППМ, при этом второй выход циркулятора в каждом ППМ через преселектор соединен с первым входом ключа защиты. Выход малошумящего усилителя каждого ППМ через смеситель соединен с входом фильтра промежуточной частоты, первый вход каждого ППМ соединен со вторым входом смесителя, третий вход-выход КГПС через третий вход-выход векторного модулятора соединен с третьим входом-выходом ПЛИС. Второй вход каждого ППМ соединен с первым входом ПЛИС, четвертый выход ПЛИС соединен со вторым входом усилителя мощности, пятый выход ПЛИС соединен со вторым входом ключа защиты, шестой выход ПЛИС соединен со вторым входом преселектора, седьмой и восьмой выходы ПЛИС соединены с третьим и четвертым входами АЦП соответственно. Второй выход первого когерентного СВЧ-гетеродина соединен с первым входом коммутатора, второй выход синхронизатора соединен с третьим (управляющим) входом коммутатора и через третьи входы каждого ППМ со вторыми входами ПЛИС, (N+1)-й выход второго делителя мощности соединен с третьим входом первого и второго когерентных СВЧ-гетеродинов, второй вход-выход центрального процессора через шину управления соединен с первым входом-выходом первого и второго когерентных СВЧ-гетеродинов, с первым входом-выходом синхронизатора, через четвертые входы-выходы каждого ППМ соединен с девятым входом-выходом ПЛИС. Первый вход-выход центрального процессора обеспечивает связь АФАР с потребителем; при этом центральный процессор для заданного потребителем режима работы АФАР выдает команды установки частоты в первый и второй когерентные СВЧ-гетеродины, установки периода повторения и длительности зондирующего импульса в синхронизатор, установки начальной фазы и амплитуды сигнала индивидуально для каждого ППМ, одинаковых параметров модуляции сигнала и приемного строба в ПЛИС каждого ППМ. Центральный процессор по известным алгоритмам выполняет цифровую обработку принятого сигнала. ПЛИС в каждом ППМ обеспечивает настройку полосы пропускания преселектора, установку параметров сигнала в КГПС, на время формирования зондирующего импульса включает усилитель мощности и запирает ключ защиты приемника, формирует последовательность импульсов дискретизации и приемный строб-импульс для управления работой АЦП.
Недостатком указанного решения является сложное выполнение цифрового приемо-передающего модуля, содержащего как аналоговые, так и цифровые элементы (ПЛИС, АЦП, векторный модулятор).
Наиболее близкой по технической сущности является «Активная фазированная антенная решетка» [RU 2338307 опубликовано 10.11.2008, МПК H01Q 21/00 (2006.01)], содержащая m излучателей, соединенных с m приемо-передающими модулями, 2К устройств распределения и фазирования, четыре делителя, формирователь диаграммы направленности, имеющий два входа и четыре выхода, 2К периферийных устройств управления, выполненных с возможностью установления требуемых значений фазовых соотношений в соответствии с управляющими сигналами, поступающими от блока управления лучом. Каждый из четырех высокочастотных выходов формирователя диаграммы направленности подключен к высокочастотному входу соответствующего делителя, имеющего К/2 высокочастотных выходов каждый, где К - четное число, 2К высокочастотных выходов делителей соединены с высокочастотными входами соответствующих устройств распределения и фазирования, имеющих каждый m высокочастотных выходов, где m - любое целое число, каждый из 2Km высокочастотных выходов устройств распределения и фазирования соединен с высокочастотным входом соответствующего 2Km приемо-передающего модуля, высокочастотные выходы которых, в свою очередь, 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)-ый выход периферийного устройства управления соединен с низкочастотным входом устройства распределения и фазирования, образуют подрешетку. 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 разностными входами активной фазированной антенной решетки.
Недостатками указанного технического решения является невозможность создания многолучевых диаграмм направленности антенны на прием.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей активной фазированной антенной решетки.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание АФАР с многолучевой диаграммой направленности на прием с цифровым диаграммообразованием на базе аналоговой АФАР.
Сущность активной фазированной антенной решетки заключается в том, что она содержит N излучателей, соединенных с первыми входами-выходами соответствующих N приемо-передающих модулей, где N целое число большее либо равное единице, N устройств распределения и фазирования, блок управления антенной, устройство управления.
Новым в предлагаемой полезной модели является введение N приемно-согласующих устройств, N аналого-цифровых преобразователей (АЦП), многоканального вычислителя, генератора. Вход-выход каждого приемопередающего модуля соединен с входом-выходом соответствующего приемно-согласующего устройства. Выход каждого приемно-согласующего устройства соединен с входом соответствующего АЦП. Вход каждого приемно-согласующего устройства соединен с выходом соответствующего устройства распределения и фазирования. Первый вход каждого из устройств распределения и фазирования соединен с выходом генератора, вход которого является первым внешним входом активной фазированной антенной решетки, а второй вход каждого из устройств распределения и фазирования соединен с первым выходом блока управления антенной посредством шины данных, а второй выход блока управления антенной соединен с входом устройства управления. Вход блока управления антенной является вторым внешним входом активной фазированной антенной решетки. Каждый из N выходов устройства управления соединен с входом соответствующего приемо-передающего модуля. Выход каждого аналого-цифрового преобразователя соединен с соответствующим из N входом многоканального вычислителя, N+1 вход которого является третьим внешним входом активной фазированной антенной решетки. Выход многоканального вычислителя является внешним выходом активной фазированной антенной решетки.
На фигуре 1 представлена структурная схема активной фазированной антенной решетки.
На фигуре 2 представлена структурная схема аналогового приемопередающего модуля.
На фигуре 3 представлена структурная схема приемно-согласующего устройства.
Активная фазированная антенная решетка содержит N излучателей (1), соединенных с первыми входами-выходами соответствующих N приемопередающих модулей (2), где N целое число большее либо равное единице, N приемно-согласующих устройств (3), устройство управления (4), блок управления антенной (5), N устройств распределения и фазирования (6), N аналого-цифровых преобразователей (7), генератор (8), многоканальный вычислитель (9). Второй вход-выход каждого приемо-передающего модуля (2) соединен с входом-выходом соответствующего приемно-согласующего устройства (3). Выход каждого приемно-согласующего устройства (3) соединен с входом соответствующего АЦП (7). Вход каждого приемно-согласующего устройства (3) соединен с выходом соответствующего устройства распределения и фазирования (6). Первый вход каждого из устройств распределения и фазирования (6) соединен с выходом генератора (8), вход которого является первым внешним входом активной фазированной антенной решетки, а второй вход каждого из устройств распределения и фазирования (6) соединен с первым выходом блока управления антенной (5) посредством шины данных, а второй выход блока управления антенной (5) соединен с входом устройства управления (4), вход блока управления антенной (5) является вторым внешним входом активной фазированной антенной решетки. Каждый из N выходов устройства управления (4) соединен с входом соответствующего приемо-передающего модуля (2), выход каждого АЦП (7) соединен с соответствующим из N входом многоканального вычислителя (9), N+1 вход которого является третьим внешним входом активной фазированной решетки, выход многоканального вычислителя (9) является внешним выходом активной фазированной антенной решетки.
Приемо-передающий модуль (2) содержит переключатель (10), устройство защиты (11), малошумящий усилитель (МШУ) (12), аттенюатор (13), вентиль (14), циркулятор (15), усилительный каскад (16), датчик мощности (17). Вход-выход переключателя (10) является первым входом-выходом ППМ (2), выход переключателя (10) соединен с входом устройства защиты (11), выход которого соединен с входом малошумящего усилителя (12), выход которого соединен со вторым входом аттенюатора (13). Первый вход аттенюатора (13) и первый вход переключателя (10) соединены с внешним входом ППМ (2). Выход аттенюатора (13) соединен с входом вентиля (14), выход которого соединен с входом циркулятора (15). Выход циркулятора соединен с входом усилительного каскада (16), выход которого соединен с датчиком мощности (17). Выход датчика мощности (17) соединен со вторым входом переключателя (10). Вход-выход циркулятора (15) является вторым входом-выходом ППМ (2).
Приемно-согласующее устройство (3) содержит циркулятор (18), фильтр-преселектор (19), малошумящий усилитель (20), аттенюатор (21). Вход-выход циркулятора (18) является входом-выходом приемно-согласующего устройства (3). Выход циркулятора (18) соединен с входом фильтра-преселектора (19), выход которого соединен с входом малошумящего усилителя (20), выход которого соединен с входом аттенюатора (21). Выход аттенюатора (21) является внешним выходом приемно-согласующего устройства (3). Вход циркулятора (18) является внешним входом приемно-согласующего устройства (3).
Рассмотрим работу АФАР в составе радиолокационной станции.
Активная фазированная антенная решетка формирует диаграмму направленности антенны (ДНА) на передачу следующим образом. От РЛС на вход блока управления антенной (БУА) (5) (второй внешний вход АФАР) поступают импульсы, запускающие процесс фазирования антенной решетки, и тактовые импульсы (ТИ), синхронизирующие работу БУА (5) с другими блоками РЛС и АФАР. В БУА (5) происходит формирование команд для управления устройством распределения и фазирования (УРФ) (6), предназначенном для установки ДНА в требуемом направлении. Со второго выхода БУА (5) на вход устройства управления (4) поступают управляющие команды для переключения режимов работы ППМ (2). Устройство управления (4) осуществляет переключение режимов работы ППМ (2), управляет аттенюаторами в приемных каналах. Устройство управления (4) может быть выполнено на основе программируемой логической интегральной схемы и оборудовано flash-памятью для хранения характеристик ППМ (2). На вход генератора (8) (первый внешний вход АФАР) от РЛС поступают импульсы, формирующие команду на формирование СВЧ-сигнала и его излучение АФАР, и тактовые импульсы. С выхода генератора (8) сигнал поступает на первый вход УРФ (6), в которых происходит фазирование СВЧ энергии, в соответствии с командами, поступающими с БУА (5) на второй вход УРФ (6) для формирования заданной ДНА. С выхода УРФ (6) СВЧ-энергия поступает в приемно-согласующее устройство (ПСУ) (3), осуществляющее дополнительную развязку передающей и приемной частей антенны, посредством циркулятора (18). С входа-выхода ПСУ (3) сигнал поступает в приемо-передающие модули (2), в которых происходит усиление сигнала в усилительном каскаде (16) с дальнейшей передачей на излучатели (1).
В режиме приема излучение внешнего источника принимается излучателями (1). Каждый излучатель (1) соединен с первым входом-выходом соответствующего ППМ (2). В ППМ (2) переключатель (10) переходит в положение приема сигнала. Сигнал поступает на МШУ (12) через устройство защиты (11), предохраняющее МШУ (12) от высокого уровня сигнала при нештатных ситуациях. МШУ (12) осуществляет предварительное усиление сигнала. Аттенюатор (13) регулирует уровень сигнала в соответствии с управляющей командой, поступающей с выхода устройства управления (4). Из приемо-передающего модуля (2) сигналы поступают на приемно-согласующее устройство (ПСУ) (3). С выхода циркулятора (18) сигнал поступает на вход фильтра-преселектора (19), обеспечивающего перестройку по несущей частоте, а также обеспечивающий перестройку по полосе пропускания для обеспечения работы, как с узкополосными, так и с широкополосными сигналами. В МШУ (20) происходит усиление сигнала, а в аттенюаторе (21) ослабление амплитуды сигнала, чтобы полностью использовать весь диапазон рабочих значений входного сигнала АЦП (7). С выхода ПСУ (3) сигнал поступает на вход АЦП (7) на несущей частоте. При высоких несущих частотах, например при работе в L диапазоне частот, АЦП (7) работает в режиме субдискретизации, с частотой дискретизации, меньшей несущей частоты сигнала в 5-7 раз, которая подбирается специальным образом во избежание наложения спектров сигналов лежащих вне полосы частот сигнала [«Бортовые цифровые антенные решетки» Воскресенский Д.В., Овчинникова Е.В., Шмачилин П.А. - Москва: «Радиотехника», 2013 г., стр. 155-160]. После оцифровки сигнал с каждого АЦП (7) в цифровом виде поступает в многоканальный вычислитель (9). В многоканальном вычислителе (9) осуществляется процедура цифрового гетеродинирования с целью разложения сигнала на квадратуры и переноса несущей частоты нулевую частоту, фильтрация нижних частот; децимация для обужения полосы пропускания сигнала; преобразование Фурье с целью проведения спектрального анализа сигнала. Посредством алгоритмов цифрового диаграммообразования, описанных, например, в книге [«Цифровое формирование диаграммы направленности в фазированных антенных решетках» Григорьев Л.Н., М.: «Радиотехника», 2010 г. стр. 13-22.] в многоканальном вычислителе (9) осуществляется построение многолучевой ДНА. Также на N+1 вход многоканального вычислителя (9) поступают тактовые импульсы от РЛС с целью синхронизации работы многоканального вычислителя (9) с другими блоками АФАР и РЛС. Многоканальный вычислитель (9) может быть построен на базе вычислителей таких производителей как PENTEK (Multichannel РМС/ХМС module Model 7142, MODEL 6826 и др. (http://www.pentek.com/products), Nallatech (ХМС-220, ХМС-240 и др. (http://www.nallatech.com/wp-content/uploads/xmc-220_product_briefl.pdf) и т.д. Такие вычислители являются многоканальными, имеют входы для внешней синхронизации вычислительного процесса, и контроллеры интерфейса для различных шин передачи данных PCI, VME и др., обеспечивающих связь с различными блоками.
Активная фазированная антенная решетка формирует диаграмму направленности на передачу посредством аналогового диаграммообразования, а на прием посредством цифрового диаграммообразования. Такое решение было выбрано в связи с отсутствием явных преимуществ цифрового диаграммообразования (ИДО) на передачу, и напротив, заявляемое построение АФАР позволяет создавать многолучевые диаграммы направленности антенны на прием за счет восприятия всей информации, содержащейся в структуре пространственно-временных электромагнитных полей в раскрыве АФАР, и при этом сохранить использование аналоговых ППМ широко выпускаемых промышленностью.