Способ построения активной фазированной антенной решетки
METHOD OF CONSTRUCTING AN ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антенной технике, а именно, к способам построения активных фазированных антенных решеток (АФАР) и может быть использовано для построения АФАР систем радиосвязи и радиолокации.
Известен способ построения фазированной антенной решетки (ФАР) [1 -стр. 661, рис. 13.44, Справочник по радиолокации. / Под ред. М.И. Сколника. М.: Техносфера. 2014 г. книга 1. - 672 с.], при котором устанавливают N горизонтальных линеек излучателей, одну над другой и N приемопередатчиков, при этом каждая линейка излучателей содержит М объединенных через делитель мощности излучателей, который в режиме приема работает как сумматор мощности. Ко входу делителя мощности подключают вход-выход приемопередатчика. Выход формирователя зондирующего сигнала соединяют с делителем мощности по числу линеек излучателей, в каждом приемопередатчике устанавливают фазовращатель. Вход приемной части приемопередатчика соединяют с выходом его передающей части через устройство защиты и циркулятор, а выход - с аналого-цифровым преобразователем.
Недостатком известного способа является наличие потерь принимаемого сигнала в сумматорах пассивных линеек излучателей. Эти потери вносятся перед малошумящим усилителем (МШУ), поэтому вызывают ухудшение чувствительности АФАР в режиме приема.
Известен способ построения фазированной антенной решетки [2 - стр. 25, рис. 2.3, 2.5 Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев. 2000 г. - 420 с.], при котором объединяют антенные элементы в пассивные линейные подрешетки, внутри которых каждый антенный элемент соединяют через фазовращатель с сумматором подрешетки, который в режиме передачи используют как делитель мощности, при этом в режиме передачи формируют зондирующий сигнал в блоке формирования сигналов, усиливают его в усилителе мощности, делят по числу подрешеток, распределяют на подрешетки с помощью распределительной системы и устанавливают направление передающего луча с помощью фазовращателей подрешеток. В режиме приема объединяют принимаемые сигналы в подрешетках с помощью сумматоров подрешеток, усиливают их, преобразуют по частоте, выполняют дискретизацию и формируют приемную диаграмму направленности (ДН) в системе цифрового диаграммообразования путем весового суммирования сигналов с выходов подрешеток. При этом преобразование в цифровую форму производится квадратурными аналого-цифровыми преобразователями на нулевой частоте, а для развязки приемной и передающей частей используют антенный переключатель.
Недостатком известного способа является использование в антенной решетке пассивных линейных подрешеток, антенные элементы которых объединяются с помощью сумматоров мощности, что в режиме приема ухудшает чувствительность приемной части АФАР, а в режиме передачи снижает мощность излучаемого сигнала. С учетом того, что в сумматорах диссипативные потери составляют, в зависимости от числа антенных элементов и используемого диапазона частот, от 0,5 до 1,5 дБ, это вызывает увеличение коэффициента шума приемной части на величину от 0,5 до 1,5 дБ. В режиме передачи сумматор работает как делитель мощности, и потери в нем снижают мощность излучаемого сигнала на величину от 0,5 до 1,5 дБ.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ построения активной фазированной антенной решетки [3 - патент РФ №2697194, «Способ построения активной фазированной антенной решетки», МПК G01S 13/00, опубл. 13.08.2019 г.], взятый за прототип, при котором для излучения и приема сигналов используют антенные элементы, при этом в режиме передачи формируют передаваемый сигнал, усиливают его в усилителе мощности, распределяют с помощью распределительной системы, в режиме передачи устанавливают направление передающего луча с помощью фазовращателей, в режиме приема усиливают принимаемые сигналы, преобразуют по частоте, выполняют дискретизацию сигналов и формируют приемную диаграмму направленности путем взвешенного суммирования сигналов в системе цифрового диаграммообразования.
Размещают антенные элементы на передних панелях многоканальных приемопередающих модулей в узлах прямоугольной или треугольной сетки, с шагом по вертикали и горизонтали, определяемым требуемым сектором сканирования, соответственно, в вертикальной и горизонтальной плоскостях, соединяют каждый излучатель линией связи минимальной длины со входом-выходом одного из каналов многоканального приемопередающего модуля, при этом в передающей части каждого канала устанавливают фазовращатель, а для развязки приемной и передающей частей канала используют циркулятор, формируют антенное полотно активной фазированной антенной решетки из многоканальных приемопередающих модулей, устанавливая их рядом друг с другом таким образом, чтобы поверхности их передних панелей были расположены в одной плоскости, а расстояние между излучателями сохранялось неизменным в вертикальной и горизонтальной плоскостях, при этом передние панели приемопередающих модулей выполняют функцию экрана, формируют сигнал гетеродина, сигнал тактовой частоты дискретизации, и распределяют их на многоканальные приемопередающие модули, в режиме передачи формируют передающий луч с заданной формой путем установки фазовых и амплитудных соотношений передаваемого сигнала в каналах приемопередающих модулей, в режиме приема выполняют дискретизацию сигнала на промежуточной частоте с выхода приемной части каждого канала приемопередающего модуля и формируют из полученных отсчетов требуемое число лучей приемной диаграммы направленности.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- невозможность формирования в АФАР нескольких передающих ДН, что необходимо, например, в системах радиосвязи для обеспечения связи одновременно с несколькими точками;
- большие потери передаваемого сигнала в устройствах АФАР при его передаче от места формирования до излучателей. При этом после формирования передаваемый сигнал распределяется на многоканальные приемопередающие модули (ППМ) через распределительную систему, после этого делится в ППМ по числу каналов и т.д. Все эти цепи имеют потери, что снижает мощность излучаемого сигнала.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является формирование в АФАР нескольких передающих диаграмм направленности.
Для решения указанной технической проблемы предлагается способ построения активной фазированной антенной решетки, при котором размещают антенные элементы на передних панелях многоканальных приемопередающих модулей в узлах прямоугольной или треугольной сетки, с шагом по вертикали и горизонтали, определяемым требуемым сектором сканирования, соответственно, в вертикальной и горизонтальной плоскостях, соединяют каждый излучатель со входом-выходом одного из каналов многоканального приемопередающего модуля, формируют антенное полотно активной фазированной антенной решетки из многоканальных приемопередающих модулей, устанавливая их рядом друг с другом таким образом, чтобы поверхности их передних панелей были расположены в одной плоскости, а расстояние между излучателями сохранялось неизменным в вертикальной и горизонтальной плоскостях, при этом передние панели приемопередающих модулей выполняют функцию экрана, формируют сигнал гетеродина и распределяют его на многоканальные приемопередающие модули, в режиме передачи формируют передающую диаграмму направленности с заданной формой путем установки фазовых и амплитудных соотношений передаваемого сигнала в каналах приемопередающих модулей, в режиме приема усиливают принимаемые сигналы, преобразуют по частоте, выполняют дискретизацию сигнала на промежуточной частоте с выхода приемной части каждого канала приемопередающего модуля и формируют из полученных отсчетов требуемое число лучей приемной диаграммы направленности путем весового суммирования сигналов в системе цифрового диаграммообразования.
Согласно изобретению, формируют опорный сигнал с фиксированной частотой и распределяют его на многоканальные приемопередающие модули, в каждом приемопередающем модуле с помощью опорного сигнала в режиме передачи формируют передаваемый сигнал во встроенном формирователе сигнала и распределяют его на каналы этого модуля, при этом усиливают передаваемый сигнал в передающей части каждого канала встроенным усилителем мощности, в каждом приемопередающем модуле с помощью опорного сигнала формируют сигнал дискретизации, который используют для дискретизации сигнала с выхода приемной части каждого канала приемопередающего модуля, при этом количество типов формируемых передаваемых сигналов в разных многоканальных приемопередающих модулях определяют, исходя из необходимого числа формируемых передающих диаграмм направленности.
Техническим результатом предлагаемого способа является возможность разделения АФАР на несколько подрешеток, формирующих независимые передающие ДН с электронным сканированием.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:
- в прототипе передаваемый сигнал и сигнал дискретизации формируются в блоке формирования сигналов, далее они распределяются на все ППМ с помощью распределительной системы. При таком построении в АФАР возможно формировать только одну сканирующую передающую ДН. В то время как в предлагаемом способе передаваемый сигнал формируется в каждом приемопередающем модуле во встроенном формирователе сигнала, что позволяет разделять АФАР на несколько подрешеток, формирующих передающие ДН в разных направлениях;
- в прототипе после формирования передаваемого сигнала он распределяются на все ППМ с помощью распределительной системы. При этом передаваемый сигнал ослабляется на величину потерь в системе распределения и излучаемая мощность снижается. В то время как в предлагаемом способе передаваемый сигнал усиливается в каждом канале ППМ с помощью встроенного усилителя мощности, при этом потери в распределительной системе не влияют на уровень передаваемого сигнала. Это обеспечивает при одинаковой потребляемой мощности увеличение мощности излучаемого сигнала в предлагаемом способе по сравнению с прототипом.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа построения активной фазированной антенной решетки из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, обеспечивающего реализацию предложенного способа.
На фиг. 2 приведена структурная схема системы цифрового диаграммообразования.
На фиг. 3 приведена структурная схема блока управления.
На фиг. 4 приведена структурная схема преобразователя частоты.
На фиг. 5 приведена структурная схема модуля управления и цифровой обработки сигналов.
На фиг. 6 приведена структурная схема формирователя сигнала.
При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий:
- размещают антенные элементы на передних панелях многоканальных приемопередающих модулей в узлах прямоугольной или треугольной сетки, с шагом по вертикали и горизонтали, определяемым требуемым сектором сканирования, соответственно, в вертикальной и горизонтальной плоскостях -1;
- соединяют каждый излучатель со входом-выходом одного из каналов многоканального приемопередающего модуля - 2;
- формируют антенное полотно активной фазированной антенной решетки из многоканальных приемопередающих модулей, устанавливая их рядом друг с другом таким образом, чтобы поверхности их передних панелей были расположены в одной плоскости, а расстояние между излучателями сохранялось неизменным в вертикальной и горизонтальной плоскостях, при этом передние панели приемопередающих модулей выполняют функцию экрана - 3;
- формируют сигнал гетеродина и распределяют его на многоканальные приемопередающие модули, в режиме передачи формируют передающую диаграмму направленности с заданной формой путем установки фазовых и амплитудных соотношений передаваемого сигнала в каналах приемопередающих модулей - 4;
- в режиме приема усиливают принимаемые сигналы, преобразуют по частоте, выполняют дискретизацию сигнала на промежуточной частоте с выхода приемной части каждого канала приемопередающего модуля и формируют из полученных отсчетов требуемое число лучей приемной диаграммы направленности путем весового суммирования сигналов в системе цифрового диаграммообразования - 5;
- формируют опорный сигнал с фиксированной частотой и распределяют его на многоканальные приемопередающие модули, в каждом приемопередающем модуле с помощью опорного сигнала в режиме передачи формируют передаваемый сигнал во встроенном формирователе сигнала и распределяют его на каналы этого модуля, при этом усиливают передаваемый сигнал в передающей части каждого канала встроенным усилителем мощности - 6;
- в каждом приемопередающем модуле с помощью опорного сигнала формируют сигнал дискретизации, который используют для дискретизации сигнала с выхода приемной части каждого канала приемопередающего модуля, при этом количество типов формируемых передаваемых сигналов в разных многоканальных приемопередающих модулях определяют, исходя из необходимого числа формируемых передающих диаграмм направленности - 7.
O
Реализация предложенного способа построения АФАР возможна, например, с помощью устройства, включающего в себя (фиг. 1) N приемопередающих модулей (ППМ) 1, блок управления (БУ) 2, первый управляющий выход которого подключен к управляющему входу блока формирования сигналов (БФС) 3, второй управляющий выход - ко входу управления системы цифрового диаграммообразования (СЦДО) 4 и N управляющих выходов, подключенных к управляющим входам всех ППМ 1, а вход является управляющим входом АФАР. Выходы сигнала гетеродина Fгет и опорного сигнала F БФС 3 подключены к распределительной системе (PC) 5.
O
PC 5 имеет N выходов сигнала гетеродина Fгет, соединенных со входами гетеродина ППМ 1 и N выходов опорного сигнала F, соединенных со входами опорного сигнала ППМ 1.
ППМ 1 содержит первый делитель мощности (ДМ) 6 и формирователь сигнала (ФС) 7, входы которых являются, соответственно, гетеродинным и опорным входом ППМ 1, модуль управления и цифровой обработки сигналов (МУЦОС) 8, вход дискретизации которого соединен с выходом сигнала дискретизации Fд формирователя сигнала 7, а управляющий вход является управляющим входом ППМ 1. Управляющий вход формирователя сигнала 7 соединен с одним из управляющих выходов МУЦОС 8.
ППМ 1 содержит также М каналов, каждый из которых содержат последовательно соединенные фазовращатель (ФВ) 9, вход которого является входом канала и соединен с одним из выходов передаваемого сигнала формирователя сигнала 7, а управляющий вход является первым управляющим входом канала и соединен с одним из управляющих выходов МУЦОС 8, усилитель мощности (УМ) 10, циркулятор (Ц) 11 и антенный элемент (АЭ) 12.
К выходу циркулятора 11 подключены последовательно соединенные малошумящий усилитель (МШУ) 13, преобразователь частоты (ПРЧ) 14, гетеродинный вход которого является гетеродинным входом канала и подключен к одному из М выходов первого делителя мощности 6, управляющий вход является вторым управляющим входом канала и подключен к одному из управляющих выходов МУЦОС 8, а выход является выходом промежуточной частоты (ПЧ) канала и подключен к одному из входов ПЧ МУЦОС 8.
Выход данных МУЦОС 8 является выходом данных ППМ 1 и соединен с одним из N входов данных СЦДО 4, управляющий вход МУЦОС 8 является управляющим входом ППМ 1 и соединен с одним из N управляющих выходов БУ 2.
СЦДО 4 (фиг. 2) имеет К формирователей 15 по числу формируемых лучей, каждый из которых содержит TV каналов, при этом входы i-тых каналов (i=1…N) в формирователях 15 объединены. Каждый канал формирователя 15 содержит перемножитель 16, первый вход которого является входом канала, ко второму входу подключен выход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 17, а выход перемножителя 16 является выходом канала и подключен к одному из N входов цифрового сумматора 18, выход которого подключен к одному из К входов интерфейса (И) 19. Выход интерфейса 19 является выходом СЦДО 4 и всего устройства. СЦДО 4 может быть выполнено, в зависимости от числа ППМ 1 и числа лучей К, в виде одной или нескольких программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).
Блок управления (БУ) 2 (фиг. 3) имеет устройство управления (УУ) 20, вход которого является управляющим входом АФАР. УУ 20 также имеет 3+N управляющих выходов, которые являются управляющими выходами БУ 2. УУ 20 может быть выполнено, в зависимости от числа ППМ 1 и числа лучей К, в виде одной или нескольких программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).
ПРЧ 14 (фиг.4) представляет собой последовательно соединенные первый смеситель (СМ) 21, вход которого является входом ПРЧ 14, а гетеродинный вход - гетеродинным входом ПРЧ 14 и усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 22, выход которого является выходом промежуточной частоты (ПЧ) ПРЧ 14, а управляющий вход - управляющим входом ПРЧ 14.
МУЦОС 8 (фиг.5) включает в себя М аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 23, входы которых являются входами ПЧ МУЦОС 8, входы сигнала дискретизации подключены к выходам второго делителя мощности (ДМ) 24, а выходы подключены ко входам блока управления и обработки (БУО) 25. Первый, второй и третий управляющие выходы БУО 25 являются, соответственно, первым, вторым и третьим управляющими выходами МУЦОС 8. Выход данных и управляющий вход БУО 25 являются, соответственно, выходом данных и управляющим входом МУЦОС 8. Вход второго делителя мощности 24 является входом дискретизации МУЦОС 8.
БФС 3 представляет собой два синтезатора частоты, обеспечивающих формирование сигнала гетеродина Fгет и опорного сигнала Fo. При этом могут быть использованы, например, синтезаторы и усилители из [3 - стр. 142-143. Mini-Circuits. RF & Microwave components guide. 2010].
PC 5 представляет собой делители мощности, разветвляющие сигнал гетеродина Fгет и опорный сигнал Fo на N выходов с помощью делителей мощности [3 - стр. 136-140].
Формирователь сигнала 7 содержит (фиг. 6) синтезатор частот (СЧ) 25, опорный вход которого является опорным входом формирователя сигнала 7,  вход управления является входом управления формирователя сигнала 7, а выход дискретизации - выходом дискретизации формирователя сигнала 7. Сигнальный выход синтезатора частот 25 соединен со входом второго смесителя 26, гетеродинный вход которого является гетеродинным входом формирователя сигнала 7, а выход подключен ко третьему делителю мощности 27. Выходы третьего делителя мощности 27 являются выходами формирователя сигнала 7.
АФАР работает следующим образом.
В режиме передачи в синтезаторе частот 25 формирователя сигнала 7 формируется передаваемый сигнал ПС, который с помощью второго смесителя 26 переносится в область рабочих частот АФАР и разветвляется по числу каналов ППМ 1 в третьем делителе мощности 27. В случае формирования одной передающей ДН во всех ППМ 1 формируются одинаковые передаваемые сигналы. В случае необходимости одновременно формировать несколько независимых передающих ДН, имеющиеся в АФАР ППМ 1 в режиме передачи программно объединяются в подрешетки, количество которых равно количеству формируемых ДН. При этом в каждой подрешетке могут использоваться разные типы передаваемых сигналов.
АФАР формирует передающую ДН путем установки в ППМ 1 требуемых фазовых соотношений регулировкой сдвига фазы передающего сигнала ПС в фазовращателях 9. При необходимости, амплитудное распределение в АФАР может быть установлено соответствующим выбором усиления в усилителях мощности 10 разных каналов ППМ 1.
x
x
y
y
Для случая плоской прямоугольной АФАР, в которой формируется одна передающая ДН с направлением максимума ϕ, θ соответственно по азимуту и углу места, апертура которой содержит N АЭ 12, установленных вдоль координаты X на расстоянии d, и N АЭ 12, установленных вдоль координаты Y, на расстоянии d, ДН F(ϕ,θ) определяется как [2 - стр. 27-28]:
xi
yi
где A, A - коэффициенты амплитудного распределения вдоль координат X и Y соответственно;
хi
y
ψ, ψ - коэффициенты фазового распределения, представленные в виде фазовых сдвигов в фазовращателях 9.
С выходов фазовращателей 9 передаваемый сигнал усиливается в УМ 10, и через циркулятор 11 поступает на АЭ 12 и излучается в пространство. После этого АФАР переходит в режим приема.
l
l
l
l
В случае разделения АФАР на L подрешеток, в каждой подрешетке в соответствии с формулой (1) может аналогично формироваться своя передающая ДН F(ϕ, θ,), где ϕ и θ - направления масимумов передающих ДН, l=1…L.
mn
В режиме приема принимаемые отраженные сигналы с выхода каждого АЭ 12 в каждом ППМ 1 проходят через циркулятор 11, усиливаются в МШУ 13, преобразуются по частоте в ПРЧ 14 и представляются в виде цифровых отсчетов S(t) с помощью АЦП 23.
Из полученных цифровых отсчетов формируют приемную одно- или многолучевую ДН путем весового суммирования в СЦДО 4. Число формируемых лучей определяется назначением АФАР и количеством передающих ДН.
i
i
mn
i
i
Отсчеты i-го луча с направлением максимума ϕ, θ вычисляются путем умножения цифрового потока с каждого ППМ 1 в перемножителях 16 на весовой множитель W(ϕ, θ,)из ПЗУ 17 и суммирования в цифровом сумматоре 18. Диаграмма направленности для i-го приемного луча имеет вид
Сформированные отсчеты К приемных лучей с выходов формирователей 15 поступают в интерфейс 19, где преобразуются в последовательную форму и в виде последовательных кодов передаются на выход АФАР.
В предлагаемом способе за счет использования формирователей сигнала 7 в каждом ППМ 1 возможно программное разделение АФАР в режиме передачи на подрешетки, которые формируют независимые передающие ДН в различных направлениях с разными типами передаваемых сигналов. В случае необходимости работы с максимальным коэффициентом усиления АФАР все ППМ 1 работают синхронно и формируют одну передающую ДН.
В предлагаемом способе усилители мощности 10 установлены в каждом канале многоканального ППМ, их выход через циркулятор 11 соединен с антенным элементом 12. В то время как в прототипе сигнал с выхода усилителя мощности поступает на распределительную систему, где он ослабляется на величину от 1 до 5 дБ в зависимости от конструкции и количества ППМ. Соответственно, в прототипе в эфир излучается сигнал со сниженной мощностью из-за потерь в распределительной системе. Таким образом, в предлагаемом способе потери передаваемого сигнала ниже на величину от 1 до 5 дБ, чем в прототипе.
Работоспособность предлагаемого способа была проверена на макете устройства (фиг. 1). Испытания показали совпадение полученных характеристик с расчетными.