АНТЕННО-ЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК С УПРАВЛЯЕМОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ
ELECTRONIC ANTENNA ASSEMBLY WITH CONTROLLED CONFIGURATION OF DIRECTIVITY PATTERN

Изобретение относится к области антенной техники, применяемой для радиосвязи между летательными аппаратами (ЛА) и между ЛА и наземным командным пунктом (НКП), входящими в единую сеть обмена информацией.
Антенно-электронный блок (АЭБ) предназначен для обмена информацией летательного аппарата одновременно с несколькими ЛА, каждый из которых находится в зоне обслуживания АЭБ.
В настоящее время большинство систем авиационной радиосвязи ЛА с НКП или между собой используют слабонаправленные бортовые и наземные антенны, которые в выделенном для авиационной радиосвязи диапазоне частот 240-400 МГц обеспечивают передачу информации со скоростью до 32 кбит/с. Для передачи информации с более высокой скоростью на максимальном удалении и под малыми углами места используются бортовые и наземные остронаправленные антенны, например, параболические, работающие в диапазоне до десятка ГГц. При этом взаимное наведение диаграмм направленности (ДН) приемной и передающей антенн осуществляется электромеханическим приводом, что позволяет реализовать обмен информацией только между двумя абонентами в одном направлении. Размещение нескольких антенн, формирующих диаграммы в разных направлениях, не представляется возможным вследствие нарушения аэродинамики ЛА. Электронное адаптивное изменение ДН в этих случаях не реализуется.
Известен комплекс бортовых средств цифровой радиосвязи ЛА между собой и с НКП (патент RU №2319304 С2, опубл. 27.07.2007), состоящий из бортовой и наземной аппаратуры, использующий слабонаправленные антенны на ЛА и на НКП.
Известно устройство радиосвязи (патент №2146851 с приоритетом от 1995.07.07), которое позволяет бортовой радиостанции проводить сеанс связи с наземной сотовой радиотелефонной системой. Наземная базовая станция содержит одну или множество направленных вверх активных антенн, формирующих ячейки для самолета, при пересечении которых бортовой ретранслятор принимает сигналы базовой станции и через радиостанцию передает сигналы с борта самолета на базовую станцию, что позволяет отслеживать наземной системе местоположение бортового телефона
Известно также устройство антенны (патент №2134002 от 27.07.1997 г.), принятое за прототип и обеспечивающее работу с радиосигналами в полосе очень высоких частот с частотной модуляцией (ОВЧ/ЧМ), в полосе сверхчастот (СВЧ) и в полосе (ОВЧ/АМ). Антенный элемент помещают в торцевую секцию киля самолета и устанавливают с образованием удлиненного неэлектропроводного паза между одним краем самого элемента и прилегающей электропроводной конструкцией самолета. Точку возбуждения вдоль паза выбирают для оптимальных рабочих показателей. Данная система обеспечивает практически всестороннюю диаграмму направленности, но при этом не обеспечивает формирование узкой, перенацеливаемой диаграммы направленности.
Предлагаемые в патентах антенны для радиосвязи не обеспечивают формирование независимых, перенацеливаемых лучей ДН для одновременного обмена информацией с несколькими абонентами. Кроме того, обладают традиционными для бортовых слабонаправленных антенн недостатками, проявляющимися в появлении провалов в ДН бортовой антенны вследствие интерференции сигналов, переотражаемых в антенну зеркальными точками планера, и в прерывании связи в результате затенения трассы распространения сигнала планером ЛА при его эволюциях.
Решение этой задачи с применением зеркальных направленных антенн не реализуемо на борту ЛА вследствие нарушений аэродинамики ЛА.
Целью заявленного изобретения является антенно-электронный блок, обеспечивающий обмен информацией мониторинга с мегабитными скоростями передачи, а также сигналами координат и команд управления между ЛА и НКП при любых эволюциях ЛА. Указанная цель достигается за счет применения в системе радиосвязи антенно-электронного блока, состоящего из нескольких панелей активных фазированных антенных решеток (АФАР), размещаемых в различных зонах планера ЛА, из которых блоком управления включаются те панели, которые при любых эволюциях ЛА формируют ДН в заданном направлении на другой ЛА или НКП, что обеспечивает формирование ДН без провалов в любом направлении. Конструктивно возможны два варианта размещения панелей АФАР на борту ЛА: первый - на гранях корпуса АЭБ в едином блоке, второй - в различных местах планера ЛА без нарушения аэродинамических характеристик, панели устанавливаются таким образом, чтобы суммарная зона обслуживания составляла 360° по азимуту и до 360° по углу места. При этом блок управления изменяет адаптивно в зависимости от дальности и условий распространения ширину ДН и величину излучаемой мощности, обеспечивая передачу и прием сигналов со скоростью до 8-16 Мбит/с. В системе связи АЭБ обеспечивает взаимное наведение ДН перемещающихся ЛА по сигналам пеленгаторов, следящих за максимумом принимаемого излучения, при этом при известных координатах ЛА для связи автоматически выбираются и включаются те панели АФАР, в пределах зон обслуживания которых находятся осуществляющие обмен информацией ЛА. Панели АФАР выполнены в виде плоских многослойных печатных плат, имеющих защитное покрытие из радиопрозрачных материалов. Блок управления осуществляет следующие основные функции: выбирает и включает панели АЭБ в требуемых направлениях, изменяет ДН и мощность излучения выбранных панелей в результате включения/выключения определенных элементов антенного полотна, подает команды, перемещающие ДН в заданном направлении.
Чертеж изображает схему АЭБ совместно с блоком управления.
Передающий АЭБ состоит из Q (Q≥1…10) идентичных панелей АФАР (1), каждая из которых включает преобразователь частоты (2), фазовращатели (3), усилители мощности (4), излучатели (5). Управляющий фазовращателями блок управления передающего АЭБ состоит из блока управления диаграммами (6), блока управления панелями (7), включающего через мультиплексор (8) необходимые панели, приемника сигналов спутниковой навигационной системы GPS (9), определяющего координаты ЛА для взаимного наведения ДН приемо-передающих направленных антенн, которое поддерживается при взаимном смещении ЛА по сигналам блока пеленгации (10). Приемный АЭБ состоит из Q (Q≥1…10) идентичных панелей АФАР (11), каждая из которых включает приемные элементы антенного полотна (12), малошумящие усилители (МШУ) (13), фазовращатели (14), сумматор (15) и преобразователь частоты (16). Панели могут быть выполнены в виде многослойных печатных плат. Блок управления приемным АЭБ состоит из блока-управления диаграммами (17), блока управления панелями (18), блока пеленгации (19), приемников (20) и коммутатора (21).
Источники информации и приемник сигналов спутниковой навигационной системы GPS (9) через мультиплексор (8), второй вход которого связан с блоком управления панелями (7), подключаются к преобразователям частоты (2), выходы которых через фазовращатели (3), управляемые блоком управления диаграммами (6) и блоком пеленгации (10), подключаются через усилители мощности (4) к излучателям (5).
В приемном АЭБ выходы элементов (12) антенного полотна приемных панелей (11) через МШУ (13) подключаются к фазовращатели (14), вторые входы которых подключены к блоку управления диаграммами (17), а выходы связаны с сумматорами (15), подключенными к преобразователям частоты (16), выходы которых соединены с приемниками (20), связанными с блоками пеленгации (19) и коммутатором (21), второй вход которого подключен к блоку управления панелями (18), а на его выходы поступают сигналы панелей, выбранных для связи.
Сигналы от источников информации и приемника сигналов GPS (9) на промежуточной частоте мультиплексором (10) направляются на входы тех панелей из общего числа Q передающего АЭБ, которые выбраны блоком управления панелями (7), и через преобразователь частоты (2) проходят фазовращатели (3), которые под воздействием сигналов блока управления диаграммами (6) и сигналов блока пеленгации (10) меняют фазу сигналов таким образом, чтобы сигналы на выходе усилителей мощности (4) и связанных с ними излучателей (5) антенного полотна формировали максимум ДН одного луча в определенном направлении, меняющемся при взаимном перемещении ЛА под воздействием сигналов блока управления диаграммами (6), включающих также сигналы включения/выключения отдельных излучателей, что позволяет при необходимости увеличить ширину ДН передающей антенны при неизвестных координатах ЛА при соответствующем уменьшении излучаемой мощности.
В каждой панели (11) приемного АЭБ сигналы с выходов элементов (12) антенного полотна поступают через малошумящие усилители (МШУ) (13) на вход фазовращателей (14), значения фаз которых меняются под воздействием сигналов блока управления диаграммами (17), формируя максимум ДН в определенном направлении, и далее поступают в сумматор (15), с выхода которого соответствующий сигнал через преобразователь частоты (16) поступает в приемное устройство (20), связанное с блоком пеленгации (19), по сигналам которого блок управления (17) изменяет направление максимума ДН при взаимном смещении ЛА, и через коммутатор (21) выходов приемников (20) сигналы различных панелей, выбранных блоком управления панелями (20), поступают на выходы коммутатора.
Заявляемое устройство выполняет функции либо передающего, либо приемного АЭБ и конструктивно представляет собой набор панелей АФАР, выполненных в виде многослойных плоских печатных плат, каждая из которых конструктивно объединяет антенное полотно и СВЧ преобразователи, которые могут размещаться либо в одном конструктиве, например, на гранях параллелепипеда, либо в различных точках планера ЛА без нарушения аэродинамических характеристик. Панель включает слой антенного полотна с напыленными излучателями (или приемными элементами), к которым непосредственно подключены входящие в следующий слой усилители мощности (или МШУ в приемном АЭБ), слой фазовращателей с устройствами управления фазами, слой преобразователей промежуточной частоты сигнала в область десятка ГГц, слой дополнительных устройств и слои металлических пластин.
Каждая из панелей передающего и приемного АЭБ формирует один луч диаграммы направленности, изменяющий под воздействиями блока управления диаграммами и блока пеленгации независимо от остальных лучей свое положение в азимутальной и в угломестной плоскостях, что позволяет каждому ЛА осуществлять независимый обмен информацией одновременно с несколькими абонентами, каждый из которых находится в секторе, обслуживаемом соответствующей панелью АЭБ.
При увеличении числа фазовращателей, подключаемых к каждому излучателю, каждая панель может формировать большее количество лучей, что позволяет увеличить число абонентов за счет пространственного разделения лучей.
Направленные антенны ЛА и НКП обеспечивают передачу высокоскоростной информации мониторинга на расстоянии прямой геометрической видимости 250÷300 км в радиолинии ЛА-НКП и на расстояние 50÷100 км в между ЛА.