АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С ШИРОКОУГОЛЬНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ

Полезная модель относится к радиотехнике, в частности, к антенным устройствам и может быть использована в системах радиопеленгации и радиосвязи.
Известна активная фазированная антенная решетка радарной системы с синтезированной апертурой (см. патент RU №2367068, кл. Н 01 Q 3/34, опубл. 10.09.2009). Антенна имеет длину 15 метров и ширину 1,5 метра. Она состоит из двух панелей, и каждая панель составляет приблизительно 3,75 метра в длину и 1,5 метра в ширину. Каждая панель содержит 4 столбца, а каждый столбец содержит 32 приемопередающих модулей, каждый из которых имеет относящуюся к нему субрешетку с 20 излучающими элементами. Всего в этой антенне используются 512 приемопередающих модулей.
Известна активная передающая фазированная антенная решетка, генерирующая одновременно несколько независимых лучей для облучения заданных областей пространства без облучения других областей. Размер и форма этих областей определяются размером и количеством элементов решетки, а количество лучей количеством схем формирования луча, питающих решетку. Все элементы решетки работают при одном и том же уровне амплитуды, а направление и форма лучей определяются установками фазы (см. патент RU №2101809, кл. Н 01Q 3/36, опубл. 10.01.1998).
Однако эти устройства не обеспечивают широкоугольное сканирование контрольной поверхности заданного объема.
Наиболее близкой из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранная в качестве прототипа активная фазированная антенная решетка с широкоугольным сканированием, содержащая излучатели, размещенные на экране и соединенные, соответственно, с приемо-передающими модулями, реализующая обзор пространства в плоскости решетки (азимутальной плоскости) 360°, представляет из себя набор излучателей нулевого уровня с размерами раскрыва больше половины длины волны, расположенных попарно один возле другого и развернутых в плоскости решетки на некоторый угол относительно друг друга, т.е. их раскрывы располагаются вдоль кривой второго порядка, которая в частном случае может быть окружностью (см. патент RU №2093936, кл. Н 01 Q 21/00, опубл. 20.10.1997).
Особенностью построения структуры кольцевой антенной решетки (КАР) является то, что излучатель любого уровня (кроме нулевого) построен по одинаковой схеме. Механизм формирования структуры поля в аппертуре элемента любого уровня (кроме нулевого) совершенно одинаков, а различаются они только граничными условиями.
Однако она имеет следующие недостатки: только одномерное сканирование, сравнительно узкую рабочую полосу и сложную для практической реализации распределительную систему. В ряде задач требуется обеспечивать широкоугольное сканирование не только суммарной диаграммой, но и разностной в горизонтальной плоскости, а также в некотором секторе углов в вертикальной плоскости. При большом отклонении луча происходит искажение пеленгационных характеристик и снижается крутизна разностной диаграммы направленности. Вследствие низкой крутизны существенно снижается точность обнаружения координат цели особенно при наличии шумов. Поэтому требуется разработка оптимальной структуры антенного полотна и распределительной системы.
Технический результат от использования заявляемой полезной модели - обеспечение возможности кругового обзора суммарной и разностной диаграммы направленности в плоскости размещения излучателей и сканирование в ортогональной плоскости в секторе 30° при низком уровне боковых лепестков в -25-27 дБ.
Указанный результат достигается тем, что в активной фазированной антенной решетке с широкоугольным сканированием, содержащая излучатели, размещенные на экране и соединенные, соответственно, с приемо-передающими модулями, каждый приемо-передающий модуль включает циркулятор приемного и передающего канала сигналов, приемный канал которого состоит из последовательно подключенных генератора сигнала, блока цифровой обработки, преобразователя частоты и усилителя сигналов приемного канала, а передающий канал циркулятора состоит из последовательно присоединенных усилителя приемного сигнала, преобразователя частоты передающего сигнала, блока цифровой обработки и приемника цифрового сигнала, при этом приемо-передающий модуль дополнительно содержит гетеродин и блок синхронизации обоих каналов, выходами подключенный, соответственно, к генератору сигнала и блоку цифровой обработки приемного канала, а также - к блоку цифровой обработки и приемнику цифрового сигнала передающего канала, причем гетеродин через преобразователь частоты передающего канала выходом подключен к преобразователю частоты приемного канала.
Кроме этого, излучатели расположены по гексагональной структуре.
На фиг.1 представлена структурно-блочная схема приемо-передающего модуля АФАР; на фиг.2 - схема размещения излучателей в заявляемой АФАР; на фиг.3 - структурная схема активного модуля, совмещенного с антенной решеткой; на фиг.4 - диаграммы направленности (ДН) антенной решетки с квадратной апертурой в плоскости размещения элементов при различных положениях главного максимума; на фиг.5 - диаграммы направленности антенной решетки с квадратной апертурой в плоскости, ортогональной плоскости размещения элементов, при различных положениях луча.
Активная фазированная антенная решетка содержит экран 1, размещенные на экране излучатели 2, каждый из излучателей 2 соединен с приемо-передающим модулем (ППМ) 3.
Каждый приемо-передающий модуль 3 включает циркулятор 4 приемного и передающего канала сигналов, приемный канал которого состоит из последовательно подключенных генератора 5 сигнала, блока 6 цифровой обработки, преобразователя 7 частоты и усилителя 8 сигналов приемного канала, а передающий канал циркулятора 4 состоит из последовательно присоединенных усилителя 9 передающего сигнала, преобразователя 10 частоты передающего сигнала, блока 11 цифровой обработки и приемника 12 цифрового сигнала, при этом приемопередающий модуль 3 дополнительно содержит гетеродин 13 и блок 14 синхронизации обоих каналов, выходами подключенный, соответственно, к генератору 5 сигнала и блоку 6 цифровой обработки приемного канала, а также - к блоку 11 цифровой обработки и приемнику 12 цифрового сигнала передающего канала, причем гетеродин 13 через преобразователь 10 частоты передающего канала выходом подключен к преобразователю 7 частоты приемного канала.
Каждый приемо-передающий модуль 3 выполнен с возможностью цифровой обработки сигнала. В общем виде цифровое диаграммообразование осуществляется методом цифрового анализа (в АЦП и синтеза в ЦАП) сигнала. Преобразователь 7 частоты осуществляет перенос информационной огибающей, синтезированной блоком ЦАП, на несущую радиочастоту. Процесс преобразования частоты в рассмотренных выше системах происходит дважды. После ПЧ сигнал усиливается и передается в излучатель 2. Принятый сигнал поступает в приемный канал, где также усиливается малошумящим усилителем 9 и проходит обратную процедуру в блоке 10. После чего уже низкочастотный сигнал попадает в блок 11 цифровой обработки. Передающий и приемный каналы развязаны циркулятором 4 либо антенным переключателем.
Активная фазированная антенная решетка работает следующим образом.
Сигналы от генератора 5 подаются на блок 11 цифровой обработки. В блоке цифровой обработки 11 сигналы оцифровываются путем последовательных преобразований. Затем в преобразователе 7 частоты переносятся в СВЧ диапазон, усиливаются в усилителе 8 и подаются через циркулятор 4 на соответствующий излучатель 2 антенной решетки. В режиме приема сигнал, принятый соответствующим излучателем 2 подается через циркулятор 4 на вход малошумящего усилителя 9, усиливается до необходимого для цифровой обработки уровня, подается на вход преобразователя 10 частоты и с помощью гетеродина 13 переносится в область более низких частот, а затем поступает в блок 11 цифровой обработки. В блоке 11 цифровой обработки сигнал оцифровывается и с помощью цифровых линий задержки к сигналу в канале каждого излучателя 2 добавляется фазовый сдвиг, необходимый для приема сигнала эквивалентной апертурой данной антенной решетки. Затем сигналы суммируются в блоке 11 с соответствующими весовыми коэффициентами. После цифровой обработки сигнал передается на вход 12 приемника цифрового сигнала. Синхронизация оцифрованных сигналов всех элементов антенной решетки осуществляется блоком 14 синхронизации.
Полотно активной цифровой антенной решетки (экран 1) заполняется элементами по гексагональной структуре. Фазирование элементов осуществляется схемой цифрового диаграммообразования таким образом, чтобы обеспечить пространственное формирование лучей с плоской апертуры. При этом шаг проекций излучателей 2 на эквивалентный линейный излучающий раскрыв не должен превышать длину рабочей волны, чтобы не возникали дифракционные максимумы. ДН такой антенны формируется плоскости размещения элементов и в требуемом секторе может отклоняться в ортогональной плоскости, а цифровая обработка существенно упрощает структуру распределительной системы.
Предложенные схемы формирования лучей и обработки сигналов позволяют реализовать частный случай пространственной антенной решетки двумерным сканированием. Причем, в плоскости размещения элементов, благодаря осевой симметрии решетки, имеется возможность кругового обзора пространства с незначительным изменением характеристик направленности и энергетических характеристик в секторе сканирования (фиг.5).
При построении антенны для бортовой РЛС уровень бокового и обратного излучения не должен превышать -25-27 дБ. Для уменьшения УБЛ обычно применяются различные методы синтеза ДН: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый и конструктивный. В антеннах с широкоугольным сканированием целесообразно применять амплитудный и конструктивный методы синтеза. Синтез пространственного размещения элементов и амплитудного распределения позволяет снизить уровень бокового излучения до - 27 дБ (фиг.5 и фиг.6) с учетом допусков на изготовление элементов ант енного полотна и фидерного тракта.
В антенне с широкоугольным сканированием важно обеспечивать допустимое изменение крутизны пеленгационной характеристики в моноимпульсном режиме. Простейший способ реализации широкоугольного сканирования в азимутальной плоскости с незначительным изменением пеленгационной характеристики - применение антенной решетки с квадратным раскрывом. Для увеличения шага излучателей элементы размещаются в узлах гексагональной структуры. Такая схема построения может быть реализована в виде модульной конструкции, удобной для управления положением и формой диаграммы направленности, а также для обеспечения требуемого амплитудного распределения. Как видно из характеристик направленности фиг.5, антенна с квадратным раскрывом имеет требуемый уровень обратного излучения. Моноимпульсный режим работы в широком секторе углов в такой решетке осуществляется при помощи цифровой системы формирования и управления лучом. При этом схема построения антенного полотна и способы формирования лучей позволяют перемещать моноимпульс с минимальными искажениями в требуемом широком секторе обзора по сравнению с имеющимися аналогами.
Полученные результаты для активной фазированной антенной решетки хорошо согласуются с общей теорией антенн. Рассматриваемые АФАР являются частным случаем выпуклых антенн, для которых расчет поля, излучаемого выпуклой поверхностью, осуществляется методом эквивалентных апертур.
Таким образом, разработана активная фазированная антенная решетка с двумерным широкоугольным сканированием, обеспечивающая высокую крутизну пеленгационных характеристик за счет пространственной схемы размещения элементов в апертуре и цифровой диаграммообразующей системы. Показано, что при перемещении луча отсутствует углочастотная чувствительность, поэтому при наличии широкополосных элементов пространственные структуры обладают широкой рабочей полосой. Пространственное размещение элементов и соответствующее управление амплитудно-фазовым распределением позволяют уменьшить число элементов в антенной решетке и распределительной системе и исключить из схемы построения коммутирующие устройства, что существенно упрощает распределительную систему данной антенны по сравнению с распределительными системами аналогов.
Упрощение структуры антенного полотна, а также распределительной системы, состоящее в уменьшении числа элементов, достигается применением пространственной схемы построения антенной решетки и системы цифрового диаграммообразования. Ранее применялись плоские или выпуклые антенные решетки, не позволяющие увеличить шаг излучателей в антенном полотне больше, чем на 0,7λ. Пространственная структура построения антенного полотна позволяет увеличить шаг излучателей до одной длины волны в эквиваленной апертуре при сохранении характеристик направленности.
Цифровое диаграммообразование и обработка сигнала на промежуточной частоте, также позволяют существенно упростить распределительную систему. Пространственная схема построения антенного полотна и распределительной системы обеспечивает формирование суммарной и разностной диаграммы направленности и широкоугольное двумерное сканирование при цифровом диаграммообразовании.
В настоящее время в связи с появлением быстродействующей цифровой аппаратуры появилась возможность осуществлять обработку без преобразования частоты в приемо-передающем модуле.