АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С ШИРОКОУГОЛЬНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ

Полезная модель относится к антенной технике и может использоваться в системах радиопеленгации и радиосвязи.
Известна активная фазированная антенная решетка (АФАР), состоящая из m-излучателей, соединенных с приемо-передающими модулями (ППМ) [Пат. RU №2338307].
Одной из трудностей практической реализации АФАР является реализация моноимпульсного режима работы при широкоугольном сканировании. 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 необходима разработка схем построения, обеспечивающих незначительное изменение пеленгационных характеристик при широкоугольном сканировании.
Известна также АФАР [пат. RU №2310956], позволяющая существенно увеличить расстояние между излучателями, не ухудшив направленные свойства при сканировании, а следовательно, и характеристики разрешения всей радиосистемы. Однако, в рассматриваемой схеме построения антенной решетки, излучатели размещаются только на нескольких внешних кольцах большого радиуса и не заполняют апертуру. Это приводит к сравнительно высокому уровню боковых лепестков.
Известна фазированная АР, позволяющая расширить сектор сканирования в одной плоскости за счет азимутально-симметричного размещения излучателей в решетке [3]. Такая ФАР обеспечивает хорошие пеленгационные характеристики при сканировании. Ее недостатком сложная для практической реализации распределительная система. Наиболее близким аналогом является фазированная антенная решетка [3].
Технической задачей заявляемой полезной модели является расширение сектора сканирования в азимутальной плоскости и упрощение распределительной системы.
Поставленная задача достигается тем, что в активной фазированной антенной решетке с широкоугольным сканированием, содержащей излучатели, размещенные на экране, и соединенные соответственно с приемо-передающими модулями, отличающейся тем, что распределительная система выполняется на цифровой элементной базе и позволяет на несущей частоте формировать суммарную и разностную диаграммы направленности и осуществлять широкоугольное сканирование. В частном случае выполнения излучатели могут быть расположены неэквидистантно по концентрическим окружностям на круглой поверхности или размещаться в гексагональной сетке на квадратной поверхности.
Упрощение распределительной системы, состоящее в уменьшении числа делителей мощности, достигается за счет цифрового формирования луча, осуществляемого в приемо-передающих модулях, а улучшение пеленгационных характеристик - за счет азимутально-симметричного неэквидистантного размещения излучателей в квадратном или круглом раскрыве без ухудшения характеристик радиоэлектронной системы, таких, например, как точность обнаружения цели в РЛС, помехозащищенность, разрешающая способность, причем шаг решетки может быть увеличен от 0,7 длины волны до нескольких длин волн, например, до трех длин волн, в зависимости от размеров апертуры, при шаге в эквивалентной апертуре, равном рабочей длине волны. Ранее использовалась цифровая обработка на промежуточной частоте, т.к. отсутствовали быстродействующие АЦП и ЦАП. В настоящее время в связи с появлением быстродействующей цифровой аппаратуры появилась возможность осуществлять обработку без преобразования частоты, т.е. на несущей частоте непосредственно в приемо-передающем модуле.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена схема размещения излучающих элементов в прототипе; на фиг.2 и 3 приведены схемы размещения излучателей в заявляемой АФАР; на фиг.4 - структурная схема активного модуля, совмещенного с антенной решеткой; на фиг.5 - приведены диаграммы направленности (ДН) антенной решетки с круглой апертурой в двух ортогональных плоскостях; на фиг.6 - приведены диаграммы направленности антенной решетки с квадратной апертурой в двух ортогональных плоскостях.
Активная фазированная антенная решетка содержит экран 1, размещенные на экране излучатели 2 (фиг.2), каждый из излучателей 2 соединен с приемо-передающим модулем (ППМ) 3, в который входят: цикулятор 4, усилитель 5 передающего канала, малошумящий усилитель 6 приемного канала, блок цифровой обработки 7 передающего канала, блок цифровой обработки 8 приемного канала, генератор 9, приемник - 10, блок синхронизации - 11 (фиг.4). Излучатели 2 расположены на экране 1 равномерно не эквидистантно.
Каждый из приемо-передающих модулей 3 выполнен с возможностью цифровой обработки сигнала на несущей частоте, осуществляемой в блоках 7 и 8, которые в данном случае включены непосредственно на выходе передающего канала и на входе приемного канала.
Активная фазированная антенная решетка работает следующим образом. Сигналы от генератора 9 подаются на блок цифровой обработки 8. В блоке цифровой обработки 8 сигналы оцифровываются и путем последовательных преобразований, после прохождения цифровых линий задержки, получают необходимые для формирования ДН амплитуды и фазы. Затем в усилителе 7 сигналы усиливаются и подаются через циркулятор 4 на соответствующий элемент антенной решетки 2. В режиме приема сигнал, принятый соответствующим элементом 2 подается через циркулятор 4 на вход малошумящего усилителя 6, усиливается до необходимого для цифровой обработки уровня и подается на вход блока цифровой обработки 8. В блоке цифровой обработки 8 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 8 с соответствующими весовыми коэффициентами. После цифровой обработки сигнал передается на вход приемника 10. Синхронизация оцифрованных сигналов всех элементов антенной решетки осуществляется блоком синхронизации 11.
Полотно приемной цифровой антенной решетки (экран 1) при произвольном типе излучателя 2 заполняется элементами по гексагональной структуре или неэквидистантно. 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, а цифровая обработка существенно упрощает структуру распределительной системы (фиг.5).
Также имеется возможность реализации распределительной системы и без цифрового преобразования сигнала. Разработаны модели аналоговых распределительных систем, которые подходят для широкополосной работы и формирования моноимпульса в заданном секторе сканирования. Применение цифровой или аналоговой распределительной системы определяется требованиями к массогабаритным и стоимостным характеристикам.
При построении антенны для бортовой РЛС уровень бокового и обратного излучения не должен превышать -20…-25 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. Как показано выше, синтез пространственного размещения элементов и амплитудного распределения позволяет снизить уровень бокового излучения до -22 дБ (фиг.6).
Кроме требований к УБЛ 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 фиг.3. Такая схема построения может быть реализована в виде модульной конструкции, удобной для управления положением и формой ДН, а также для обеспечения требуемого амплитудного распределения. Как видно из характеристик направленности фиг.7, антенна с квадратным раскрывом имеет меньший уровень обратного излучения, чем антенна с круглым раскрывом и неэквидистантным заполнением апертуры. Моноимпульсный режим работы в широком секторе углов в такой решетке осуществляется при помощи цифровой системы формирования и управления лучом.
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 широкоугольным сканированием, обеспечивающая высокую крутизну пеленгационных характеристик за счет неэквидидистантности размещения элементов в апертуре и цифровой обработки сигнала. Формирование луча в плоскости размещения излучателей позволяет уменьшить число элементов распределительной системы, а цифровая обработка исключает применение таких устройств как фазовращатели и аттенюаторы, поэтому система деления мощности существенно упрощается по сравнению с распределительными системами аналогов.
Литература
1. Пат. RU №2338307
2. пат. RU №2310956
3. Воскресенский Д.И., Котов Ю.В., Овчинникова Е.В. Тенденции развития широкополосных фазированных антенных решеток, Журнал Антенны, 2005, №11 (102). - с.11.