Фазированная антенная решетка для импульсной радиолокационной станции
PHASED ANTENNA ARRAY FOR PULSED RADAR STATION

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС), построенных на базе фазированных антенных решеток с полупроводниковыми дискретными фазовращателями.
Известны различные типы ФАР, применяемые в РЛС, и все они содержат следующие основные составные части:
систему распределения СВЧ мощности, излучающую апертуру,
систему управляющих фазовращателей, устройства управления фазовращателями и систему управления лучом.
Основными элементами ФАР, обеспечивающими возможность быстрого электронного сканирования луча в пространстве, являются управляемые СВЧ фазовращатели, включенные между каждым излучателем и соответствующим выходом системы распределения СВЧ мощности, а также устройства управления фазовращателями.
В современных ФАР применяются дискретные фазовращатели, чаще всего на базе полупроводниковых диодов (см. книгу "Антенны и устройства СВЧ. Проектирование ФАР", под ред. Воскресенского Д.И. "Радио и связь", 1981 г., стр. 352-371).
Среди известных ФАР с дискретными полупроводниковыми фазовращателями для РЛС наиболее близким к предлагаемому изобретению является ФАР, принятая за прототип. Она содержит около семи тысяч излучателей, такое же количество дискретных полупроводниковых СВЧ фазовращателей, систему разводки СВЧ мощности закрытого типа и систему управления лучом.
В непосредственной близости от каждого дискретного фазовращателя размещают схемы управления p-i-n диодами.
На каждую секцию четырехсекционного фазовращателя "Обвал" (т.е. на каждую пару p-i-n диодов) приходится ключ, ограничительный резистор, вход которого соединен с выходом ключа, и формирователь обратного напряжения, выход которого вместе с выходом ограничительного резистора соединен с p-i-n диодами.
Вход ключа соединен с соответствующим выходом системы управления лучом. Конструктивно ФАР состоит из подрешеток, закрепленных на равных расстояниях друг от друга в общей несущей конструкции.
В каждую подрешетку входит система разводки на 64 выхода (входа), 64 фазовращателя, схемы управления p-i-n диодами, блок формирования питающих напряжений, узлы и кассеты системы управления лучом и приемник.
С помощью 64 врубных СВЧ разъемов, соединенных с выходами дискретных СВЧ фазовращателей, подрешетка соединяется с соответствующими излучателями.
Описываемая ФАР работает в составе РЛС следующим образом.
Из системы управления РЛС на систему управления ФАР поступает код (определенная последовательность импульсов, определяющая в следующем такте РЛС направление луча).
Система управления в соответствии с поступившим кодом рассчитывает требуемые фазовые состояния всех семи тысяч фазовращателей и вырабатывает сигналы управления.
Эти сигналы поступают на входы схем управления диодами.
Если на входы схем управления поступил отпирающий сигнал (например, так называемая единица), то ключи отпираются, а формирователи обратного напряжения запираются.
ном
ном
ном
ном
Через открытые ключи, ограничительные диоды и соединенные с ними p-i-n диоды дискретных фазовращателей начинает проходить ток I, где I - ток p-i-n диода, который обеспечивает минимальные потери и максимальную электрическую прочность фазовращателя. Обычно I вместе с максимально допустимыми средней и импульсной мощностью оговорены в руководящих документах по эксплуатации фазовращателей. Обычно I≈70-100 мА.
Если на входы схем управления поступают запирающие сигналы (так называемые нули), то ключи в этих схемах закрываются, а формирователи обратного напряжения отпираются.
Через p-i-n диоды прекращается протекание прямого тока (если ранее ключи были отперты и токи протекали) и к диоду прикладывается обратное напряжение, способствующее быстрейшему рассасыванию носителей тока в переходах p-i-n диодов, обеспечивающих электрическую прочность при прохождении высокого уровня СВЧ мощности. Если поступившие на входы схем управления сигналы не отличаются от ранее присутствовавших, то ключи и формирователи обратных напряжений в этих схемах не изменяют своих состояний.
По окончании выработки сигналов управления и переходных процессов в дискретных фазовращателях на вход передающего устройства РЛС системы управления РЛС поступает импульс запуска передатчика. В передатчике формируется зондирующий СВЧ импульс.
Зондирующий СВЧ импульс передающего устройства разводится системой разводки СВЧ сигнала на входы всех подрешеток ФАР. В подрешетках СВЧ импульс передатчика делится на 64 выхода, поступает на входы 64 фазовращателей, проходит через фазовращатели, поступает на излучатели и излучается в направлении, определенном системой управления РЛС.
После окончания зондирующего импульса, который обычно длится от единиц до двух-трех десятков микросекунд, ФАР остается настроенной на прежнее положение луча, а производимое по команде системы управления РЛС переключение фаз половины фазовращателей каждой подрешетки обеспечивает прохождение принятого отраженного от цели СВЧ импульса на приемники.
Время ожидания и приема отраженных от целей сигналов зависит от дальности действия РЛЧ и составляет в среднем около 1 мсек. Затем из системы управления РЛС на систему управления ФАР поступает код, определяющий новое направление луча, и описанный цикл повторяется для другой ориентации луча ФАР в пространстве.
Все ФАР с полупроводниковыми дискретными фазовращателями для импульсных РЛС, в том числе и принятая в качестве прототипа, обладают общими недостатками:
- высокое потреблением электроэнергии по цепям управления лучом, большая рассеиваемая мощность, большое тепловыделение, что вызывает ухудшение весогабаритных характеристик и усложнение конструкции ФАР.
Например, пусть ФАР содержит пять тысяч фазовращателей, каждый из которых содержит 8 p-i-n диодов (по два p-i-n диода на каждую секцию).
ном
Питающее напряжение, например в прототипе, равно 5 В, а ток через p-i-n диод - I=100 мА.
Простое умножение показывает, что максимальный ток управления всей ФАР может достичь 4000 А. Даже если учесть, что при реальной работе ФАР в составе РЛС не все секции фазовращателей включаются одновременно, то и при этом средний ток управления составляет около 3000 А.
Это соответствует средней потребляемой мощности 10-15 кВт. Эта достаточно большая мощность рассеивается по поверхности всей ФАР, т.е. по всему слою дискретных фазовращателей и схем управления ими. Если бы эта мощность рассеивалась в сравнительно небольшом объеме, то выделяемое тепло можно рассеять путем принудительного охлаждения без существенных ухудшений весогабаритных характеристик и усложнения конструкции ФАР. Но снятие тепла со всего слоя дискретных фазовращателей крайне сложно, так как в СВЧ диапазоне расстояния между излучателями невелики.
Находящиеся за излучателями объемы заняты фазовращателями, схемами управления, кассетами, входящими в состав системы управления лучом.
Для отвода тепла необходимо обеспечить прохождение воздушных потоков по определенным каналам вблизи фазовращателей и узлов управления.
Это усложняет конструкцию ФАР, увеличивает ее вес и габариты. Кроме того, для снятия тепла, рассеянного мощностью Р в замкнутом объеме, необходимо затратить дополнительно (1,5-2)P мощности на вентиляторах. Особую весомость указанные недостатки приобретают для РЛС, размещаемых на подвижных объектах с ограниченными энергоресурсами, что в ряде случаев является основным препятствием для применения ФАР в таких РЛС.
Целью настоящего изобретения является снижение потребляемой мощности, упрощение конструкции и уменьшение веса и габаритов ФАР импульсных РЛС.
Поставленная цель достигается за счет того, что ФАР для импульсной РЛС содержит систему распределения СВЧ мощности на N-каналов, связанных с N дискретными фазовращателями на p-i-n диодах и соединенные с ними N-излучателей, систему управления РЛС и связанную с ней по цепям управления систему управления лучом ФАР, причем p-i-n диоды каждой секции каждого дискретного фазовращателя соединены с выходами формирователя обратного напряжения и ограничительного резистора, второй вывод которого соединен с выходом ключа, а входы ключа и формирователя обратного напряжения соединены с соответствующим выходом системы управления лучом, в каждую секцию каждого дискретного фазовращателя введены последовательно соединенные второй ограничительный резистор, второй ключ и логическая схема "И", при этом первый вывод второго ограничительного резистора соединен с первым выводом первого ограничительного резистора и выходом p-i-n диодов, первый вход схемы "И" соединен с входом первого ключа, вторые входы всех схем "И" соединены между собой и с управляющим выходом системы управления РЛС.
Таким образом, p-i-n диоды каждой секции дискретного фазовращателя соединены с выводами первого и второго ограничительных резисторов и первым и вторым ключом соответственно. Благодаря перечисленным изменениям потребляемую по цепям управления лучом мощность можно снизить в 3-5 раз. Кроме того, это позволяет во столько же раз уменьшить и мощность, затраченную на принудительный съем тепла, а также существенно упростить конструкцию устройств охлаждения, входящих в состав ФАР.
Авторам и заявителю не известны технические решения, подобные заявляемому, с помощью которых можно было бы решить поставленную в заявке задачу. Все признаки, изложенные в формуле изобретения, и в частности, в отличительной ее части, необходимы, достаточны и органически взаимосвязаны между собой и поэтому в совокупности решают поставленную цель.
На основании указанного предлагаемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 приведена блок-схема импульсной РЛС с ФАР;
- на фиг. 2 в развернутом виде изображены дискретный фазовращатель и устройства управления им.
Фазированная антенная решетка для импульсной радиолокационной станции (см. фиг. 1) содержит систему (1) разводки СВЧ-мощности на N-каналов, N дискретных фазовращателей со схемами управления (2), N излучателей (3), систему управления лучом ФАР (4) и систему управления РЛС (5). Вход системы разводки СВЧ-мощности связан с передающим устройством (на чертеже не показан), один из выходов системы разводки СВЧ-мощности связан с приемным устройством, а другие N выходов связаны соответственно с входами N дискретных фазовращателей (2) на p-i-n диодах, выходы дискретных фазовращателей (2) связаны с излучателями (3), причем количество N фазовращателей (2) соответствует количеству N излучателей (3). Управляющие входы дискретных фазовращателей соединены с системой управления лучом ФАР (4). Дополнительные входы дискретных фазовращателей соединены с соответствующим выходом системы управления РЛС (5), второй выход которой соединен с входом системы управления лучом ФАР (4), третий и четвертый выходы системы управления РЛС связаны с входами соответственно приемного и передающего устройств РЛС соответственно.
Каждый дискретный фазовращатель (см. фиг. 2) выполнен на p-i-n диодах, которые собраны в секции: I, II, III, IV. Схема управления дискретных фазовращателей содержит два ограничительных резистора (7), (8) два ключа (9), (10), одну логическую схему "И" (11), формирователь обратного напряжения (12) и 2 общих источника питания на -27 В и +5 В (на чертеже фиг. 2 не показаны). p-i-n диоды каждой секции дискретного фазовращателя соединены с выводами ограничительных резисторов (7), (8), выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго ключей (9), (10), выход второго ключа (10) подключен к логической схеме "И", первый вход которой соединен с выходом первого ключа (9) и первым выходом формирователя обратного напряжения (12), который подключен по цепи питания к источнику постоянного напряжения -27 В, выход которого подключен к p-i-n диодам секции. По цепям питания ключи (10), (9) подключены к источнику постоянного напряжения +5 В.
Первые входы всех первых ключей соединены с соответствующими выходами системы управления лучом ФАР (4), а вторые входы логических схем "И" соединены с соответствующими выходами системы управления РЛС (5).
Система разводки ФАР (1) может быть открытого или закрытого типа (см. книгу "Антенные и устройства СВЧ", под редакцией Д.И. Воскресенского, изд. "Сов. радио", 1972, стр. 52-54).
В качестве дискретных полупроводниковых фазовращателей использованы серийно поставляемые фазовращатели типа "Обвал" (выпускаются ЛОЭП "Светлана").
Схемы управления p-i-n диодами фазовращателя описаны, например, в журнале "Microwave Journal, vol. 17, №10, 1974, стр. 52.
В качестве излучателей (3) использованы вибраторы ГК2.092.179. Системы управления лучом (4) и управления РЛС (5) построены на базе вычислительных устройств и элементной дискретной техники.
Система управления лучом (4) содержит устройства, обеспечивающие расчет требуемого фазового распределения по апертуре ФАР, соответствующего отклонению луча под углами φ и υ (см. книгу "Антенны и устройства СВЧ", под ред. Д.И. Воскресенского, Сов. радио, 1979 г., стр. 59), а также формирование и передачу на управляющие входы дискретных фазовращателей (2) управляющих сигналов.
Режимы работы системы управления лучом (4), алгоритмы управления фазовым распределением ФАР и особенности их построения подробно рассмотрены в книге В.И. Самойленко и Ю.А. Шишова "Управление фазированными антенными решетками", изд. "Радио и связь",  1983 г.
Там же приводятся пути реализации командного устройства (вычислителя), устройства передачи команд и т.д. (см. стр. 165-194). Система управления РЛС (5) (иногда называемая синхронизатором) состоит из задающего генератора (или группы генераторов), определяющего период и временное местонахождение СВЧ импульсов передатчика (так называемых зондирующих СВЧ импульсов). Импульсы запуска передатчика называют нуль-импульсами. Все последующие импульсы формируют в строгом временном в соотношении с нуль-импульсом. Сюда относятся импульсы запуска развертки индикаторов, импульсы дальности, импульсы включения ограничителей и запирающих устройств приемников, импульсы отражения приемника и т.д.
В рассматриваемом случае система управления РЛС (5) формирует одновременно с импульсом отпирания приемника импульс включения вторых ключей (см. фиг. 1).
Система управления РЛС (5) строится, как уже отмечалось, на базе дискретных элементов (счетчики, триггеры, сумматоры, схемы совпадения и т.д.), например, серии 133 или 155.
Задающие генераторы чаше всего стабилизированы кварцами.
Указанные на фиг. 1 блоки соединены между собой разветвленной кабельной сетью, по которой передаются СВЧ-сигналы и сигналы управления. Линии связи блоков показаны на блок-схеме фиг. 1.
Более подробно устройство дискретного p-i-n диодного фазовращателя и схемы управления им показано на фиг. 2.
Каждая секция 4-секционного дискретного фазовращателя (2) содержит по 2 p-i-n диода (6), одни выводы которых соединены с корпусов, а вторые выводы - с выводами ограничительных резисторов (7), (8). В качестве ограничительных резисторов чаще всего используются резисторы типа МТ (ОМЛТ) мощностью 1 Вт. Ключи (9), (10) собраны на транзисторах (например, транзисторных сборках 2ТС622), работающих в ключевом режиме (отперт-заперт). Формирователь обратного напряжения (12) также использует транзистор, работающий в ключевом режиме. Логические схемы "И" (11) входят в состав большинства серий дискретных схем, например, 133 серия, 155 серия и т.д.
Работает предлагаемая ФАР в составе импульсной РЛС следующим образам.
При подаче запускающего импульса из системы управления РЛС (5) (см. фиг. 1) на передающее устройство РЛС в последнем формируется зондирующий мощный СВЧ импульс. Этот зондирующий СВЧ импульс поступает на вход системы разводки ФАР (1) и разводятся на N дискретных фазовращателей (2), с выходов которых подается на излучатели (3).
Дискретный полупроводниковый фазовращатель и схемы управления его p-i-n диодами изображены на фиг. 1 в виде одного блока 2.
Одновременно с запускающим импульсом система управления РЛС (5) выдает еще один импульс управления в общую шину, связанную со вторыми входами введенных логических схем "И" (11) (см. фиг. 2).
Этот импульс для однозначности можно назвать импульсом включения дополнительных вторых ключей (10), которые введены в состав ФАР в соответствии с предлагаемой заявкой. (Следует отметить, что по своим временным параметрам так называемый импульс включения дополнительных вторых ключей (10) полностью совпадает с огибающей зондирующего СВЧ импульса, сформированного передатчиком и излучаемого ФАР РЛС).
Таким образом, в момент излучения зондирующего СВЧ импульса на вторых входах всех логических схем "И" (11) присутствуют импульсы разрешения (например, логические единицы).
Если на первом ключе (9) секции фазовращателя поступает в данный момент сигнал включения (например, логическая единица) из системы управления лучом (4), то эта логическая единица поступит на первый вход логической схемы "И" (11).
Если на первом и втором входах схемы "И" (11) одновременно присутствуют логические единицы, то на выходе схемы "И" (11) выработается также логическая единица (во всех иных случаях вырабатывается логический нуль).
При наличии на выходе логический схемы "И" (11) единицы открываются второй ключ (10). При этом через диоды рассматриваемой секции дискретного фазовращателя (6) будут проходить два тока. Первый ток определяется первым ограничительным резистором (7), а второй ток определяется вторым ограничительным резистором (8). При этом, естественно, оба ключа (9) и (10) находятся в открытом состоянии. Следовательно, через p-i-n диоды включенного дискрета (6) фазовращателя (2) проходит суммарный ток двух ключей (9) и (10), определяемый ограничительными резисторами (7) И (8). По окончании зондирующего СВЧ-импульса и прекращению импульса включения дополнительных вторых ключей, поступающего из системы управления РЛС (5), со вторых входов логических схем "И" (11) снимаются импульсы разрешения и прекращается выработка логических единиц на выходах схем "И" (11). При этом закрываются введенные вторые ключи (10) и ток через p-i-n диоды дискрета (6) фазовращателя определяется только первым ключом (9) и ограничительным резистором (7).
Если на выходе первого ключа (9) отсутствует логическая единица (сигнал включения данной секции фазовращателя) из системы управление лучом (4), то логическая единица отсутствует и на первом входе схемы "И" (11), поэтому на выходе схемы "И" (11) будет нуль и ключ (10) не включится.
При этом будет включен формирователь обратного напряжения (12) и на p-i-n диоды данной секции будет подано обратное, запирающее напряжение -27 В.
Таким образом, через включенные p-i-n диоды секций (6) фазовращателей (2) текут в зависимости от режима работы РЛС и ФАР два значения тока.
В первом режиме работы РЛС (при работающем передатчике) через фазовращатели (2) проходит СВЧ зондирующие импульсы и ФАР излучает энергию в пространство. При этом ток через p-i-n диоды секции (6) равен:
p-i-n
1
2
ном
I=I+I=I,
1
I - ток, определяемый ограничительным резистором (7);
2
I - ток, определяемый ограничительным резистором (8);
Следовательно, на период прохождения через p-i-n диоды секций сравнительно большой СВЧ-мощности постоянный ток управления через p-i-n диод увеличивается и увеличивается концентрация избыточных носителей заряда в базах диодов.
(см., например, книгу Дзехцера Г.Б, Орлова О.С. "P-i-n диоды в широкополосных устройствах СВЧ", изд. Сов. радио, М., 1970 г., стр. 29-35).
Во втором режиме работы РЛС передатчиц не выдает зондирующего СВЧ-сигнала, РЛС работает на прием, через дискретные фазовращатели (2) проходят малые по управлению СВЧ сигналы.
При этом через p-i-n диоды дискрета (6) фазовращателя проходит ток
p-i-n
1
I=I
Т.е. при малых уровнях СВЧ мощности концентрация заряда может быть существенно снижена, благодаря чему и токи через p-i-n диоды включенных секции (6) фазовращателей могут быть снижены.
p-i-n
Экспериментальные проверки на серийно изготавливаемых фазовращателях типов "Обвал" и "Ополье", выполненные авторами, показали, что снижение I в 3 раза и в 5 раз вызывает увеличение средних потерь на 0,1 дБ в первом случае и 0,2 дБ во втором случае. Такое незначительное увеличение потерь в фазовращателях (2) практически не сказывается на коэффициенте шума приемных устройств ФАР.
а
р
Для примера оценен коэффициент шума системы, состоящей из антенны с шумовой температурой Т, четырехполосника c шумовой температурой Т и потерями L и приемника с коэффициентом шума F:
(см., например, книгу "Современная радиолокация", пер. с англ. под ред. О.Б. Кобзарева, изд. "Сов. радио", 1969 г., стр. 390-420).
a
p
с
c
c
Допустим, например, что F=10, T=200K, T=300K. Тогда при L=3 дБ F=19,72, при L=3,1 дБ F=20,26 и при L=3,2 дБ F=20,62, т.е. коэффициент шума возрастает на 2,6% и 4,5% соответственно. Столь небольшое увеличение коэффициента шума (на 0,28 и 0,36 дБ) не оказывает заметного влияния на энергетический потенциал РЛС и ее характеристики. В то же время снижение в 3-5 раз величины тока через p-i-n диоды дискретных фазовращателей при работе на прием позволяет снизить потребление электроэнергии в 5 раз и более (напоминаем, что для снятия тепла, рассеянного мощностью Р, необходимо затратить мощность, равную (1,5÷2)Р, для работы устройств принудительного снятия тепла).
Уменьшение потребляемой мощности приводит и к другим преимуществам предлагаемого изобретения, а именно - способствует упрощению конструкции ФАР, уменьшению весогабаритных характеристик и позволяет в ряде случаев полностью отказаться от принудительного охлаждения ФАР.