Двухдиапазонная приемо-передающая активная фазированная антенная решетка
TWO-BANDING RECEIVING AND TRANSMITTING ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может быть использовано в радиолокации, связи и других системах, размещенных на летательных аппаратах.
Из уровня техники известна пассивно-активная фазированная антенная решетка (патент RU №2299502, опубликовано 20.05.2007, МПК: H01Q21/00, H01Q3/26), состоящая из n излучающих элементов, n приемопередающих модулей (НИМ) и распределительной системы. В состав ППМ входят m активных НИМ, каждый из которых содержит усилитель мощности передающего канала, малошумящие усилители приемного канала, фазовращатели, схему управления и контроля, (n-m) пассивных ППМ, каждый из которых содержит фазовращатель и схему управления фазовращателем. У каждого из m активных НИМ вход в режиме передачи (выход в режиме приема) соединен с соответствующим выходом (входом) распределительной системы СВЧ-мощности, а выход в режиме передачи (вход в режиме приема) соединен с общим каналом делителя мощности (сумматора мощности). К одному выходному каналу в режиме передачи (входному каналу в режиме приема) делителя мощности (сумматора мощности) присоединен излучающий элемент непосредственно, а к остальным каналам излучающие элементы присоединены последовательно, через пассивные НИМ.
Недостатками этой пассивно-активной фазированной антенной решетки являются: отсутствие возможности формирования разностных диаграмм направленности, чрезмерная громоздкость и сложность схемы построения, что связано с последовательным соединением активных и пассивных приемопередающих модулей, и связанные с этим увеличенные потери энергии на передачу и прием. Кроме того, управление каналами пассивно-активной фазированной антенной решетки (ФАР) осуществляется извне, что существенно усложняет и удорожает построение системы управления.
Также известна активная фазированная антенная решетка (АФАР) (патент RU №2338307, опубликовано 10.11.2008, МПК: H01Q 21/00, H01Q 3/26, H01Q 25/02), состоящая из ш излучателей, соединенных с m приемо-передающими модулями (ППМ), устройство распределения и фазирования (УРФ) и делитель. В состав также входят формирователь диаграммы направленности (ФДН), имеющий два входа и четыре выхода, три делителя (Д), 2К-1 устройства распределения и фазирования (УРФ), 2К периферийных устройств управления (УУ), выполненных с возможностью установления требуемых значений фазовых соотношений в соответствии с управляющими сигналами, поступающими от блока управления лучом (БУЛ). Причем каждый из четырех высокочастотных (ВЧ) выходов ФДН подключен к ВЧ-входу соответствующего делителя, имеющего К/2 ВЧ-выходов каждый, где К - четное число. 2К ВЧ-выходов делителей соединены с ВЧ-входами соответствующих УРФ, имеющих каждый m ВЧ-выходов, где m - любое целое число. Каждый из 2Кm ВЧ-выходов УРФ соединен с ВЧ-входом соответствующего 2Кm ППМ, ВЧ-выходы которых подключены к излучателям. При этом каждое устройство распределения и фазирования, соединенное с высокочастотными входами m приемо-передающих модулей, подключенных к m излучателям, периферийное устройство управления, m низкочастотных выходов которого соединены с низкочастотными входами m приемо-передающих модулей, а низкочастотный (m+1)-й выход периферийного устройства управления соединен с низкочастотным входом устройства распределения и фазирования, образуют подрешетку, причем низкочастотные входы всех периферийных устройств управления подключены к выходу блока управления лучом, вход блока управления лучом является управляющим входом активной фазированной антенной решетки, первый и второй входы формирователя диаграммы направленности являются суммарным и разностным входами активной фазированной антенной решетки.
Недостатками этой активной фазированной антенной решетки являются: чрезмерная громоздкость и сложность построения схемы, что связано с наличием большого количества функциональных узлов в виде отдельных блоков. Кроме того, управление периферийными устройствами осуществляется посредством одного устройства, что ведет к усложнению кабельной сети и снижению надежности АФАР в целом.
Наиболее близкой по технической сущности является приемопередающая активная фазированная антенная решетка (патент RU №2583336, опубликовано 10.05.2016), формирующая суммарную и разностную диаграммы направленности (ДН), обладающая автономным управлением и калибровкой приемо-передающих каналов, упрощенной схемой построения, уменьшенными габаритами и имеющей повышенную надежность конструкции. Данная приемо-передающая АФАР содержит N излучателей, объединенных попарно в линейки излучателей, соединенных с делителем тестового сигнала, а также с N/4 модулями приемопередающими усилительными (МППУ), содержащими два делителя (Д) и четыре приемо-передающих канала (ППК) для установления требуемых значений амплитудных и фазовых соотношений в соответствии с управляющими сигналами от устройства управления и контроля (УУК) в соответствии с информацией, поступающей по последовательной линии связи. При этом каждый МППУ с линейками излучателей образуют подрешетку с автономным управлением ППК. Каждый из двух высокочастотных (ВЧ) входов МППУ подключен к соответствующему ВЧ-выходу диаграммообразующего сумматора. Приемо-передающая АФАР также содержит N/4 фазовращателей с дискретом установки фазы ВЧ-сигнала 180° и устройство управления (УУ) для преобразования информации, поступающей по параллельной линии связи для обеспечения инверсии формируемых ДН по входам сумматора, т.е. на суммарном входе (Σ) формируется разностная, а на разностном (Δ) - суммарная диаграммы направленности.
Основным недостатком данной приемо-передающей АФАР является узкий диапазон рабочих частот, ограниченный полосой пропускания малогабаритных излучателей, что существенно сужает применение данной антенной решетки на современных многофункциональных летательных аппаратах.
Техническая проблема, решаемая созданием заявленного изобретения, заключается в невозможности обеспечения работы приемопередающей активной фазированной антенной решетки в широком диапазоне рабочих частот.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является расширение диапазона рабочих частот двухдиапазонной приемопередающей активной фазированной антенной решетки.
Технический результат достигается тем, что приемо-передающая активная фазированная антенная решетка содержит линейки излучателей, модули приемо-передающие усилительные, делитель тестового сигнала (ДТС) и диаграммообразующий сумматор. При этом две линейки излучателей и модуль приемо-передающий усилительный образуют подрешетку с автономным управлением приемо-передающими каналами. Каждый модуль приемо-передающий усилительный включает четыре приемопередающих канала (ППК), два делителя (Д), устройство управления и контроля (УУК). Делитель тестового сигнала (ДТС) выполнен с возможностью осуществления равномерного распределения на каждый канал сигнала СВЧ в режиме калибровки. Диаграммообразующий сумматор включает направленный ответвитель (НО), устройство управления (УУ), фазовращатели (ФВ) с дискретом установки фазы СВЧ-сигнала 180°. При этом вход каждого приемо-передающего канала соединен с соответствующим выходом устройства управления и контроля, вход-выход каждого приемо-передающего канала соединен с входом-выходом соответствующего делителя, вход каждого фазовращателя соединен с выходом устройства управления, а выходы всех фазовращателей подключены к входам модулей приемо-передающих усилительных (МППУ). Высокочастотные входы-выходы линеек излучателей соединены с высокочастотными входами-выходами модулей приемо-передающих усилительных, а высокочастотные входы линеек излучателей соединены с высокочастотными выходами делителя тестового сигнала, Высокочастотные входы модулей приемо-передающих усилительных соединены с выходами направленного ответвителя (НО), входящего в состав диаграммообразующего сумматора. Низкочастотный вход МППУ подключен к выходу радиолокационной станции (РЛС) посредством последовательной линии связи. Низкочастотный вход устройства управления, входящего в состав диаграммообразующего сумматора, посредством параллельной линии связи подключен к выходу РЛС. Суммарный и разностный выходы диаграммообразующего сумматора являются суммарным и разностным входами приемопередающей активной фазированной антенной решетки.
При этом приемо-передающая активная фазированная антенная решетка отличается от прототипа тем, что каждая линейка излучателей содержит делитель сигнала, один выход которого соединен с входом направленного ответвителя сигнала, выход направленного ответвителя сигнала соединен с входом частотного дуплексера, выходы которого соединены с входами двух излучателей разных частотных диапазонов: излучателя диапазона F1 и излучателя диапазона F2. Второй выход делителя сигнала соединен с входом другого направленного ответвителя сигнала, выход другого направленного ответвителя сигнала соединен с входом другого частотного дуплексера, выходы которого соединены с входами двух других излучателей разных частотных диапазонов: излучателя диапазона F1 и излучателя диапазона F2. При этом УУК МППУ содержит два модуля памяти: модуль памяти с коэффициентами передачи приемопередающего канала для диапазона F1 и модуль памяти с коэффициентами передачи приемо-передающего канала для диапазона F2, входы-выходы которых соединены с входами-выходами дополнительно введенного вычислительного устройства, вход которого соединен с выходом устройства управления радиолокационной станции (УУ РЛС), а каждый из четырех выходов вычислительного устройства соединен с соответствующим приемо-передающим каналом.
Устройство и работа двухдиапазонной приемо-передающей активной фазированной антенной решетки поясняются рисунками Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3.
На Фиг. 1 представлена функциональная схема двухдиапазонной приемо-передающей активной фазированной антенной решетки, которая включает:
1 - линейки излучателей,
2 - модули приемо-передающие усилительные (МППУ),
3 - делитель тестового сигнала (ДТС),
4 - сумматор,
5 - подрешетку,
6 - последовательную линию связи,
7 - параллельную линию связи,
8 - суммарный выход диаграммообразующего сумматора,
9 - разностный выход диаграммообразующего сумматора,
10 - приемо-передающие каналы (ППК),
11 - делитель (Д),
12 - устройство управления и контроля (УУК),
13 - направленный ответвитель (НО),
14 - фазовращатель (ФВ),
15 - устройство управления (УУ).
На Фиг. 2 изображена функциональная схема приемо-передающего канала (ППК), который включает:
16 - циркулятор,
17 - фазовращатель,
18 - защитное устройство (ЗУ),
19 - малошумящий усилитель (МШУ),
20 - управляемый аттенюатор (Атт.),
21 - предварительный усилитель мощности (Пр. УМ).
22 - управляемый усилитель мощности (УУМ).
На Фиг. 3 изображена функциональная схема линейки излучателей, которая включает:
23 - излучатель диапазона F1,
24 - излучатель диапазона F2,
25 - частотный дуплексер (ЧД),
26 - направленныей ответвитель сигнала (НОС),
27 - делитель сигнала (ДС).
На Фиг. 4 изображена функциональная схема устройства управления и контроля (УУК), которая включает:
28 - модуль памяти диапазона F1 (МП F1),
29 - модуль памяти диапазона F2 (МП F2),
30 - вычислительное устройство (В).
Двухдиапазонная приемо-передающая активная фазированная антенная решетка (Фиг. 1) содержит линейки излучателей 1, модули приемо-передающие усилительные (МППУ) 2, делитель тестового сигнала (ДТС) 3, диаграммообразующий сумматор 4. При этом две линейки излучателей 1 и модуль приемо-передающий усилительный 2 образуют подрешетку 5. Количество подрешеток определяется типом и габаритами летательного аппарата.
Высокочастотные входы линеек излучателей 1 соединены с высокочастотными выходами модулей приемо-передающих усилительных 2 и высокочастотными выходами делителя тестового сигнала 3. Высокочастотные входы модулей приемо-передающих усилительных 2 соединены с выходами диаграммообразующего сумматора 4. Низкочастотный вход МППУ 2 подключен к выходу радиолокационной станции (РЛС) посредством последовательной линии связи 6. Низкочастотный вход диаграммообразующего сумматора 4 подключен к выходу РЛС посредством параллельной линии связи 7. Суммарный выход 8 и разностный выход 9 диаграммообразующего сумматора 4 являются суммарным и разностным входами двухдиапазонной приемо-передающей активной фазированной антенной решетки.
Каждый модуль приемо-передающий усилительный 2 включает четыре приемо-передающих канала (ППК) 10, два делителя (Д) 11, устройство управления и контроля (УУК) 12. При этом сигнал СВЧ, поступающий на вход делителя 11, равномерно делится на два сигнала, которые поступают на входы приемо-передающих каналов 10, где осуществляется их необходимый фазовый сдвиг, модуляция и усиление в соответствии с алгоритмом управления по командам, поступающим из устройства управления и контроля 12. При этом УУК (Фиг. 4) состоит из 2-х модулей памяти диапазона F1 (МП F1) 28, модуля памяти диапазона F2 (МП F2) 29 и вычислительного устройства (ВУ) 30. Вычислительное устройство 30 в соответствии с командами устройства управления РЛС рассчитывает требуемые значения амплитудных и фазовых соотношений в приемо-передающих каналах 10 и формирует сигналы для управления ППК. Расчет требуемых значений амплитудных и фазовых соотношений для управления ППК в вычислительном устройстве производится с учетом записанных в модули памяти МП F1 28, МП F2 29 коэффициентов передачи ППК, измеренных на этапе калибровки антенной системы активной фазированной антенной решетки (АС АФАР). Вычислительное устройство 30 реализовано с использованием микросхемы класса "Программмируемая логическая интегральная схема" (ПЛИС). В качестве модулей памяти 28, 29 используются микросхемы класса "Электрически стираемое постоянное запоминающее устройство" (EEPROM).
Диаграммообразующий сумматор 4 включает направленный ответвитель 13, фазовращатели (ФВ) 14, устройство управления (УУ) 15. Сигнал СВЧ, поступающий на суммарный вход 8, равномерно делится на несколько сигналов, которые поступают на входы модулей приемопередающих усилительных 2. Дополнительно в сумматоре 4 в каждом канале введены фазовращатели 14, осуществляющие высокоскоростной фазовый сдвиг СВЧ-сигналов на 180° в соответствии с алгоритмом управления по команде, поступающей от РЛС по параллельной линии связи 7.
Каждый приемо-передающий канал 10 (Фиг. 2) включает приемный и передающий каналы, объединенные с двух сторон циркуляторами 16, а также фазовращатель (ФВ) 17. Приемный канал включает последовательно соединенные защитное устройство (ЗУ) 18, малошумящий усилитель (МШУ) 19 и управляемый аттенюатор (Атт.) 20, регулирующий уровень сигнала СВЧ в режиме приема. При этом вход ЗУ 18 соединен с выходом первого циркулятора 16, а выход АТТ 20 соединен с входом второго циркулятора 16. Передающий канал включает предварительный усилитель мощности (Пр. УМ) 21, выполняющий функцию модулятора, и многокаскадный управляемый усилитель мощности (УУМ) 22. При этом вход Пр. УМ 21 соединен с выходом второго циркулятора 16, а выход Пр. УМ 21 соединен с входом УУМ 22, выход которого соединен с входом первого циркулятора 16.
Каждая линейка излучателей 1 (Фиг. 3) включает два излучателя 23 диапазона F1, два излучателя 24 диапазона F2, два частотных дуплексера (ЧД) 25, предназначенных для разделения сигналов различных частотных диапазонов F1 и F2, два направленных ответвителя сигнала (НОС) 26 и делитель сигнала (ДС) 27. При этом каждая пара излучателей 23, 24 соединена с соответствующим частотным дуплексером 25, каждый из которых соединен с соответствующим направленным ответвителем сигнала 26, которые, в свою очередь, соединены с делителем сигнала 27. В отличие от прототипа предложенная конструкция линейки излучателей обеспечивает поочередно работу антенной системы активной фазированной антенной решетки в двух различных диапазонах частот F1 и F2.
Двухдиапазонная приемо-передающая активная фазированная антенная решетка работает в режиме передачи, в режиме приема и в режиме калибровки следующим образом.
В режиме передачи сигнал СВЧ от передающего устройства РЛС подается на суммарный вход диаграммообразующего сумматора 4. В сумматоре 4 осуществляется равномерное распределение сигнала на все каналы. Сформированный по амплитуде сигнал с каждого выхода сумматора 4 подается на входы соответствующей подрешетки 5, образованной МППУ 2 и двумя линейками излучателей 1. В приемо-передающих каналах 10 фазовращателями 17, в соответствии с командами сформированными в вычислительном устройстве 30 УУК 12, осуществляется требуемое фазовое распределение, модуляция СВЧ сигнала в предварительном усилителе мощности 21 и окончательное усиление в многокаскадном управляемом усилителе мощности 22. Сформированные таким образом СВЧ сигналы поступают на линейки излучателей 1. Поступивший на вход линеек излучателей 1 СВЧ сигнал, в зависимости от диапазона (F1 или F2), выделяется частотными дуплексерами 25 и подается на входы излучателей соответствующего диапазона F1 23 или F2 24, и далее излучается в пространство, формируя суммарную диаграмму направленности.
В режиме приема принимаемые излучателями 23, 24 СВЧ сигналы, через частотные дуплексеры 25 и направленные ответвители сигнала 26 поступают на выходы линеек излучателей 1, и далее на входы приемопередающих каналов 10, через защитное устройство 18 подаются на малошумящий усилитель 19, усиливаются, регулируются по уровню управляемым аттенюатором 20 и через циркулятор 16 поступают на фазовращатель 17. Управляемые аттенюаторы 20 и фазовращатель 17 обеспечивают установку требуемых значений амплитудных и фазовых соотношений в соответствии с командами, сформированными в вычислительном устройстве 30 УУК 12. Сверхвысокочастотные сигналы с входов подрешеток 5 поступают на выходы сумматора 4, в котором происходит одновременное формирование суммарной и разностной диаграмм направленности.
В режиме калибровки сверхвысокочастотный сигнал от передающего устройства РЛС подается на вход делителя тестового сигнала 3, где осуществляется равномерное распределение сигнала на все каналы. Сформированный по амплитуде сигнал с каждого выхода делителя тестового сигнала 3 подается на соответствующие входы линеек излучателей 1, где делится на два при помощи делителя сигнала 27, и, через направленные ответвители сигнала 26 поступает на выходы линеек излучателей 1 и далее на входы приемо-передающих каналов 10. Пройдя весь высокочастотный тракт двухдиапазонной приемо-передающей активной фазированной антенной решетки, сигнал с суммарного выхода 8 диаграммообразующего сумматора 4 поступает в РЛС для обработки. Результатом обработки является выработка управляющей команды, поступающей по последовательной линии связи 6 в УУК 12, где формируются сигналы управления в соответствии с управляющей программой РЛС и коэффициетами, записанными в модуле памяти МП F1 28 с коэффициентами передачи приемо-передающего канала для диапазона и модуле памяти МП F2 29 с коэффициентами передачи приемо-передающего канала для диапазона F2, обеспечивающие установление требуемых значений амплитудных и фазовых соотношений в приемо-передающих каналах 10 для диапазонов частот F1 и F2.
При работе двухдиапазонной приемо-передающей активной фазированной антенной решетки, как в режимах приема и передачи, так и в режиме калибровки, управление элементами приемо-передающего канала 10 осуществляется через устройство управления и контроля 12, обеспечивающее обмен информацией с радиолокационной станцией по последовательной линии связи 6. Каждая подрешетка 5, образованная модулем приемо-передающим усилительным 2 и двумя линейками излучателей 1, представляет собой оконечное устройство с автономным управлением приемо-передающим каналом 10, подключенное через устройство управления и контроля 12 к магистральной последовательной линии связи 6. При этом информация на все подрешетки 5 передается одна и та же, а устройство управления и контроля 12, в зависимости от адреса местоположения конкретной подрешетки 5 в двухдиапазонной приемопередающей активной фазированной антенной решетке, формирует требуемые сигналы управления во всех четырех приемо-передающих каналах 10 МППУ 2. Причем, адрес местоположения подрешетки 5 автоматически определяется устройством управления и контроля 12 при подаче питания на двухдиапазонную приемо-передаюшую активную фазированную антенную решетку.
Кроме того, при подаче управляющего сигнала от РЛС по параллельной линии связи 7, через устройство управления 15 быстродействующие фазовращатели 14 обеспечивают мгновенное изменение фазы СВЧ сигнала на 180° на соответствующих излучателях. При этом происходит инверсия формируемых диаграмм направленности по входам диаграммообразующего сумматора 4, то есть на суммарном входе 8 формируется разностная диаграмма направленности (ДН), а на разностном входе 9 - суммарная диаграмма направленности.
Предлагаемая двухдиапазонная активная фазированная антенная решетка позволяет осуществлять одновременное формирование суммарной и разностной диаграмм направленности и автономную калибровку приемо-передающих каналов в расширенном диапазоне частот, достижение полной автономии управления приемо-передающими каналами вследствие применения последовательного интерфейса управления приемо-передающими каналами, возможность построения АФАР с любым количеством подрешеток без корректировки алгоритмов управления РЛС.
Расширение частотного диапазона достигается вводом в состав линеек излучателей делителя сигнала, двух направленных ответвителей сигнала, двух частотных дуплексеров, двух излучателей диапазона F1 и двух излучателей диапазона F2. Также в составе устройства управления и контроля МППУ используют два модуля памяти, с записанными различными коэффициентами передачи приемо-передающих каналов для диапазонов частот F1 и F2.