Фазированная антенная решетка
PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к радиотехнической промышленности и может применяться в системах с фазированными антенными решетками (ФАР), использующих моноимпульсный метод пеленгации.
Известна бортовая антенна с электронным управлением лучом и волноводной распределительной системой (ВРС). В этой антенне используется ВРС строчно-столбцового типа, в которой имеется четыре строчно-столбцовых распределителя, каждый из которых разветвляет СВЧ энергию в одном из квадрантов апертуры, для чего используется один распределитель-столбец и N распределителей-строк и СВЧ сумматор, запитывающий четыре упомянутых делителя с требуемыми для формирования суммарно-разностных диаграмм направленности фазовыми соотношениями. Кроме того данная антенна содержит волноводные проходные ферритовые фазовращатели и панель излучения, выполненную на основе рупорных излучателей (Ж. "Антенны", вып. 6 (61), 2002 г. статья Синани А.И., Позднякова Р.Д., Митин В.А. "Волноводная распределительная система бортовой антенны с электронным управлением лучом", с. 13-19).
Недостатками этого технического решения являются
- конструктивно-технологическая сложность изготовления ВРС при большом числе элементов ФАР,
- значительные размеры рупорных излучателей в низкочастотных диапазонах,
- нецелесообразность использования ферритовых фазовращателей в низкочастотных диапазонах ввиду их значительной массы и энергии, необходимой для управления.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является фазированная антенная решетка, содержащая четыре строчно-столбцовых распределителя, каждый из которых разветвляет СВЧ сигнал в одном из квадрантов апертуры с использованием одного распределителя-столбца и N распределителей-строк, главный распределитель, фазовращатели, излучатели и узлы управления фазовращателями, в которой распределители-строки содержат коаксиально-полосковые переходы, многоканальные делители мощности, выполненные в виде кольцевых делителей мощности на основе симметричной полосковой линии с подвешенной подложкой с поглощающими элементами кольцевых делителей в виде корпусных СВЧ резисторов, непосредственно установленные микрополосковые фазовращатели, каждый из которых входом подключен к одному из выходов многоканального делителя мощности, а выходом - к одному из полосковых групповых излучателей, выполненных на основе несимметричной полосковой линии с подвешенной подложкой, и объединены с распределителями-столбцами коаксиальными линиями; распределители-столбцы конструктивно объединены с главным распределителем; в главном распределителе выполнена суммарно-разностная схема деления; главный распределитель и распределители-столбцы содержат элементы СВЧ тракта, выполненные на коаксиальной линии; главный распределитель и распределители-столбцы содержат элементы СВЧ тракта, выполненные на волноводах; главный распределитель и распределители-столбцы содержат элементы СВЧ тракта, выполненные на симметричной полосковой линии с подвешенной подложкой; в одном узле объединены два распределителя-строки и групповой излучатель; по крайней мере, в одном распределителе-строке в многоканальном делителе мощности предусмотрен дополнительный вспомогательный вход с переходом на коаксиальную линию (патент РФ №2441301, H01Q 25/02, 2010 г.).
Недостатками этого технического решения являются:
- значительные размеры, обусловленные применением кольцевых делителей мощности, и, как следствие, значительные потери сигнала, обусловленные длинными участками полосковых линий;
- ограниченная предельная излучаемая мощность, что обусловлено ограниченной мощностью применяемых в ФАР корпусных СВЧ резисторов, устанавливаемых на подвешенную подложку.
Перед авторами стояла задача создания ФАР, лишенной перечисленных недостатков.
Задача решена за счет того, что в фазированной антенной решетке, содержащей четыре строчно-столбцовых распределителя, каждый из которых разветвляет СВЧ сигнал в одном из квадрантов апертуры с использованием одного распределителя-столбца и N распределителей-строк, главный распределитель, излучатели и узлы управления фазовращателями, причем распределители-строки, содержащие коаксиально-полосковые переходы, многоканальные делители мощности, фазовращатели, каждый из которых входом подключен к одному из выходов многоканального делителя мощности, а выходом - к одному из полосковых групповых излучателей, объединены с распределителями-столбцами коаксиальными линиями, дополнительно введена система управления лучом, состоящая из вычислительной части, реализованной в виде одного или совокупности блоков, установленных непосредственно на фазированной антенной решетке, и исполнительных частей, являющихся составной частью распределителей строк, реализованных в виде одной или нескольких печатных плат, выходы которой подключены к управляющим входам фазовращателей из состава распределителя-строки, а вход подключен к вычислительной части системы управления лучом, при этом многоканальные делители мощности выполнены в виде последовательно соединенных ответвителей, реализованных в виде направленных ответвителей с лицевой связью, выполненных на симметричной полосковой линии с диэлектрическим заполнением, незадействованные входы которых нагружены на согласованные нагрузки, выполненные в виде корпусных СВЧ резисторов с установочным фланцем.
Распределители-столбцы конструктивно объединены с главным распределителем.
В главном распределителе реализована суммарно-разностная схема деления.
Главный распределитель и распределители-столбцы содержат элементы СВЧ тракта, выполненные на коаксиальной линии.
Два распределителя-строки и групповой излучатель объединены в единый узел.
По крайней мере в одном распределителе-строке в многоканальном делителе мощности предусмотрен дополнительный вспомогательный вход с переходом на коаксиальную линию.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик ФАР при улучшении ее технических характеристик за счет уменьшения потерь и увеличения предельной мощности излучаемого сигнала.
Заявляемая ФАР обладает совокупностью существенных признаков, не известных из уровня техники для изделий подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.
Заявляемая ФАР, по мнению заявителей и авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. для специалистов он явным образом не следует из уровня техники, т.е. не известен из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки. Сущность предлагаемого изобретения поясняется при помощи чертежей,
где:
на фиг. 1 предоставлено схематическое изображение ФАР;
на фиг. 2 предоставлено схематическое изображение узла ФАР.
В каждом из четырех квадрантов апертуры ФАР имеются N распределителей-строк 1, выходы 2 которых при помощи коаксиальных линий подсоединены ко входам 3 распределителя-столбца 4. Выходы распределителей-столбцов 4 объединены при помощи главного распределителя 5, имеющего четыре входа (на схеме не показаны) и три выхода, являющиеся выходами ФАР, что обеспечено реализованной в главном распределителе 5 суммарно-разностной схемой деления.
В состав каждого из распределителей-строк 1 входит многоканальный делитель мощности 6, выполненный в виде последовательно соединенных ответвителей 7, реализованных в виде направленных ответвителей с лицевой связью, выполненных на симметричной линии с диэлектрическим заполнением (часть симметричной линии, расположенной с нижней стороны диэлектрической подложки, показана пунктиром). Незадействованные входы направленных ответвителей 7 нагружены на согласованные нагрузки 8, выполненные в виде корпусных СВЧ резисторов с установочным фланцем, например, Р1-17. Выходы многоканального делителя мощности подключены ко входам микрополосковых фазовращателей 9, выход каждого их которых подключены к одному из полосковых излучателей, объединенных в групповые излучатели 10. Конструктивно на каждом из распределителей - строк 1 установлена исполнительная часть системы управления лучом, реализованная на одной или нескольких печатных плат 11, выходы 12 которой подключены к управляющим входам фазовращателей 9, а вход 13 - к вычислительной части системы управления лучом (на схеме не показана), которая реализована в виде одного или нескольких блоков, установленных непосредственно на ФАР.
На входе многоканальных делителей мощности 6 установлены коаксиально-полосковые переходы (выходы 2), обеспечивающие объединение распределителей-строк 1 и распределителей-столбцов 4 коаксиальными линиями, представляющими собой совокупность коаксиальных кабелей.
В описываемой конструкции распределители-столбцы 4 конструктивно объединены с главным распределителем 5 в единый узел, выполненный на элементах, реализованных на коаксиальной линии 14. Кроме того, для удобства сборки, ФАР собирается из узлов, в каждом из которых объединены два распределителя-строки 1 и групповой излучатель 10.
Для обеспечения проверки функционирования ФАР по крайней мере в одном распределителе-строке 1 в многоканальном делителе мощности 6 предусмотрен дополнительный вспомогательный вход 15 с переходом на коаксиальную линию.
ФАР работает следующим образом.
При работе ФАР "на излучение" СВЧ сигнал, поступающий на суммарный вход главного распределителя 5, равноамплитудно делится между четырьмя его выходами посредством кольцевых делителей, выполненных на коаксиальной линии 14, откуда поступает на входы распределителей-столбцов 4. В каждом из распределителей-столбцов 4 входной сигнал делится с заданным амплитудным соотношением между N выходами 3 распределителя и поступает на вход 2 соответствующего распределителя-строки 1, откуда после деления в необходимых соотношениях в многоканальных делителях мощности 6 посредством направленных ответвителей 7, поступает на входы микрополосковых фазовращателей 9 и, пройдя через них, излучается в пространство полосковыми излучателями, входящих в состав групповых излучателей 10. В случае разбаланса в многоканальном делителе мощности 6, отраженные сигналы поглощаются согласованными нагрузками 8.
Излученные сигналы складываются в пространстве, формируя диаграмму направленности ФАР, положение главного лепестка которой зависит от фазы, вносимой микрополосковыми фазовращателями 9, управление которыми осуществляется сигналами, поступающими с выходов 12 исполнительной части системы управления лучом, данные на которую в виде кодов передаются из вычислительной части через входы 13, установленные на печатные платы 11.
При работе ФАР "на прием" сигнал с направления, соответствующему направлению максимума главного лепестка диаграммы направленности, принимается полосковыми излучателями, входящими в состав групповых излучателей 10. Сигналы с излучателей, пройдя через микрополосковые фазовращатели 9 и получив фазовый сдвиг, синфазно складываются сначала в распределителях-строках 1, затем в распределителях-столбцах 4. Четыре поступивших на вход главного распределителя 5 сигнала после сложения в суммарно-разностной схеме формируют суммарную и две ортогональные разностные диаграммы направленности.
При проведении проверки функционирования ФАР на вспомогательный вход 15, предусмотренный в распределителе-строке 1, подается тестовый сигнал, который с распределителя-строки 1 поступает в соответствующий распределитель-столбец 4 и далее через главный распределитель 5 на его выходы. Наличие тестового сигнала на выходах главного распределителя 5 с необходимыми параметрами свидетельствует о функционировании ФАР.
Таким образом, полученный технический результат позволил превзойти прототип по всем параметрам:
- применение последовательной схемы многоканального делителя мощности в распределителе-строке, выполненном на основе направленных ответвителей, позволило сократить габариты распределителей строк в 2,5 раза, при этом вносимые потери сигнала уменьшились не менее чем на 20%;
- использование в качестве согласованных нагрузок СВЧ резисторов с установочным фланцем позволяет увеличить подводимую к ФАР мощность за счет отвода тепла непосредственно на элементы корпуса распределителей по сравнению с прототипом не менее чем в 10 раз.
На предприятии-заявителе разработана конструкторская документация на заявляемую ФАР, работающую в дециметровом диапазоне длин волн, осуществляется ее серийное производство. Опыт эксплуатации ФАР подтвердил ее преимущества по сравнению с известными устройствами, в том числе с прототипом, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.