МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ДЛЯ РАДИОЛОКАТОРА
MULTICHANNEL ELEMENT FOR ACTIVE PHASE ANTENNA ARRAY FOR RADAR STATION

Изобретение относится к антенной технике, а именно к активным фазированным антенным решетками (АФАР), и может быть использовано в многофункциональных радиолокационных системах с электронным управлением диаграммой направленности.
При управлении АФАР необходимо для каждого положения луча каждому излучающему и приемному антенному элементу задавать с помощью фазовращателей и аттенюаторов необходимые комплексные амплитуды возбуждающих сигналов для получения требуемого амплитудно-фазового распределения по апертурам приемной и передающей антенн (или на излучателях одной и той же антенны в режиме приема и передачи). При сканировании, когда диаграмма направленности имеет не очень большое количество (порядка сотен или нескольких тысяч) фиксированных положений, все эти значения могут быть определены (рассчитаны и скорректированы после калибровки) заранее и храниться в памяти. Для фазовращателей и аттенюаторов с цифровым управлением соответствующие коды можно извлекать из памяти и передавать каждому управляемому элементу (фазовращателю или аттенюатору), что может осуществляться простым и дешевым малоразрядным микроконтроллером.
Известны приемо-передающие модули АФАР, содержащие как общие для приемного и передающего трактов управляющие элементы (фазовращатель и аттенюатор), так и раздельные управляющие элементы [1, 2, 3, 4] (патент РФ 2338306, патенты США 4791421, 5093667, 5745076).
В качестве прототипа для изобретения выбран приемо-передающий модуль АФАР, описанный в патенте РФ 2206155.
При большом числе излучателей АФАР становится актуальной задача построения приемо-передающих модулей, которые могут обеспечивать требуемое амплитудно-фазовое распределение сигналов в соединенных с ними элементах антенной решетки при минимальном числе линий связи и минимальном потоке данных от центрального управляющего устройства (ЦУУ) радиолокатора.
Технической задачей изобретения является упрощение разводки управляющих сигналов и сокращение количества микроконтроллеров.
Поставленная задача достигается тем, что в многоканальный элемент активной фазированной антенной решетки для радиолокатора, содержащий микроконтроллер и схемы управления, приемного канала, включающего фазовращатель и малошумящий усилитель, и передающего канала, содержащего последовательно соединенные фазовращатель, аттенюатор и усилитель мощности, а также импульсный модулятор, выход которого соединен с модулирующим входом усилителя мощности, причем первое плечо первого СВЧ-элемента связи является входом приемо-передающего модуля, к его второму плечу подключен вход фазовращателя передающего канала, а к третьему плечу - выход фазовращателя приемного канала, выход усилителя мощности передающего канала подсоединен к первому плечу второго СВЧ-элемента связи, второе плечо которого является выходом приемо-передающего модуля, а третье плечо соединено с входом малошумящего усилителя приемного канала, при этом управляющие входы фазовращателей передающего и приемного каналов, аттенюатора и импульсного модулятора передающего канала соединены с соответствующими управляющими выходами схемы управления, согласно изобретению введены дополнительные идентичные приемо-передающие модули, в приемный канал каждого из приемо-передающих модулей введен соответствующий аттенюатор, который включен между выходом малошумящего усилителя и входом фазовращателя, а его управляющий вход - с соответствующим управляющим выходом схемы управления, схема управления каждого приемо-передающего модуля содержит последовательно соединенные буферный повторитель, комбинированный регистр и схему совпадения, при этом комбинированный регистр состоит из сдвиговой и параллельной частей, тактовый вход, вход и выход данных сдвиговой части являются соответственно сдвигающим входом и последовательными входом и выходом комбинированного регистра, выход каждого разряда сдвиговой части соединен с входом соответствующего разряда параллельной части, ее стробирующий вход является входом загрузки комбинированного регистра, многоразрядные выходы которого являются управляющими выходами схемы управления, а одноразрядный выход соединен с вторым входом схемы совпадения, выход которой подключен к управляющему входу импульсного модулятора передающего канала, комбинированные регистры приемо-передающих модулей соединены в последовательную цепочку через их последовательные входы и выходы, а последовательные входы и выходы комбинированных регистров первого и последнего приемо-передающих модулей соединены соответственно с выходом и входом данных микроконтроллера, буферные повторители приемо-передающих модулей соединены в цепочку таким образом, что вход буферного повторителя последнего приемо-передающего модуля соединен с тактовым выходом микроконтроллера, а вход буферного повторителя каждого предыдущего приемо-передающего модуля соединен с выходом буферного повторителя последующего приемо-передающего модуля, выход буферного повторителя каждого приемо-передающего модуля соединен со сдвигающим входом комбинированного регистра данного приемо-передающего модуля, в устройство также введены два буферных формирователя, выход первого из которых соединен с входами параллельной записи комбинированных регистров, а выход второго - с вторыми входами схем совпадения каждого из приемо-передающих модулей, входы буферных формирователей являются входами синхронизации устройства.
При этом каждый из СВЧ-элементов связи может быть выполнен в виде пары отдельных линий передачи, или в виде Y-циркулятора или в виде СВЧ-коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом второго буферного формирователя.
Таким образом предлагается использовать многоканальный модуль, содержащий N приемо-передающих модулей (ППМ), каждый из которых управляет амплитудно-фазовым распределением одного приемо-передающего излучателя АФАР. Система из М многоканальных модулей по N приемо-передающих модулей в каждом может обслужить ФАР из M*N элементов.
На чертеже представлена структурная электрическая схема предлагаемого многоканального элемента активной фазированной антенной решетки для радиолокатора.
Многоканальный элемент активной фазированной антенной решетки для радиолокатора содержит микроконтроллер 1 и приемо-передающие модули (ППМ) 2, каждый из которых состоит из первого и второго СВЧ-элементов связи 3 и 4, приемного и передающего каналов 5, 6 и схемы 7 управления. Каждый приемный канал 5 состоит из последовательно соединенных фазовращателя 8, аттенюатора 9 и малошумящего усилителя 10, а каждый передающий канал 6 содержит последовательно соединенные фазовращатель 11, аттенюатор 12 и усилитель мощности 13, модулирующий вход которого соединен с выходом импульсного модуляторя 14, выход которого соединен с модулирующим входом усилителя мощности 13, причем первое плечо первого СВЧ-элемента связи 3 является входом приемо-передающего модуля 2, к его второму плечу подключен вход фазовращателя 11 передающего канала 6, а к третьему плечу - выход фазовращателя 8 приемного канала 5, выход усилителя мощности 13 передающего канала 6 подсоединен к первому плечу второго СВЧ-элемента связи 4, второе плечо которого является выходом приемо-передающего модуля 2, а третье плечо соединено с входом малошумящего усилителя 10 приемного канала 5, при этом управляющие входы фазовращателей 8, 11 и аттенюаторов 9, 12 приемного и передающего 5, 6 и импульсного модулятора 14 передающего канала 6 соединены с соответствующими управляющими выходами схемы управления 7, схема управления 7 каждого приемо-передающего модуля содержит последовательно соединенные буферный повторитель 15, комбинированный регистр 17 и схему совпадения 16, при этом комбинированный регистр 17 состоит из сдвиговой и параллельной частей 18, 19, тактовый вход, вход и выход данных сдвиговой части 18 являются соответственно сдвигающим входом и последовательными входом и выходом комбинированного регистра 17, выход каждого разряда сдвиговой части 18 соединен с входом соответствующего разряда параллельной части 19, ее стробирующий вход является входом загрузки комбинированного регистра 17, многоразрядные выходы которого являются управляющими выходами схемы управления 7, а одноразрядный выход соединен с вторым входом схемы совпадения 16, выход которой подключен к управляющему входу импульсного модулятора 14 передающего канала 6, комбинированные регистры 17 приемо-передающих модулей 2 соединены в последовательную цепочку через их последовательные входы и выходы, а последовательные входы и выходы комбинированных регистров 17 первого и последнего приемо-передающих модулей 2 соединены соответственно с выходом и входом данных микроконтроллера 1, буферные повторители 15 приемо-передающих модулей 2 соединены в цепочку таким образом, что вход буферного повторителя 15 последнего приемо-передающего модуля 2 соединен с тактовым выходом микроконтроллера 1, а вход буферного повторителя 15 каждого предыдущего приемо-передающего модуля 2 соединен с выходом буферного повторителя 15 последующего приемо-передающего модуля 2, выход буферного повторителя 15 каждого приемо-передающего модуля соединен со сдвигающим входом комбинированного регистра 17 данного приемо-передающего модуля. Устройство также содержит два буферных формирователя 20, 21, выход первого из которых соединен с входами параллельной записи комбинированных регистров 17, а выход второго - с вторыми входами схем совпадения 16 каждого из приемо-передающих модулей 2, входы буферных формирователей 20 являются входами синхронизации устройства. Каждый из элементов связи 3, 4 может быть выполнен либо в виде пары линий передачи, либо в виде Y-циркулятора, либо в виде СВЧ-коммутатора, управляющие входы которого соединены с выходом второго буферного формирователя 21.
2
Для передачи команд и обмена данными между ЦУУ и многоканальными модулями наиболее простым и подходящим является магистральный канал RS-485, поддерживаемый практически всеми микроконтроллерами (при наличии внешнего буфера). Адресация модулей требует logM бит. Канал обеспечивает скорость обмена до нескольких мегабит в секунду на расстоянии в десятки метров с помощью одной витой пары. Для дополнительной синхронизации также целесообразно использовать дифференциальные сигналы, передаваемые по витым парам.
В свою очередь многоканальный модуль также должен иметь архитектуру с минимальным количеством и длиной линий синхронизации и управления и содержать однотипные взаимозаменяемые ППМ.
Сущность изобретения состоит в том, что в приемо-передающем модуле АФАР с целью упрощения разводки управляющих сигналов и сокращения количества микроконтроллеров АФАР один микроконтроллер используется для управления N приемо-передающими каналами, которые расположены в непосредственной близости друг от друга и находятся в одном корпусе.
Многоканальный модуль содержит N линейно ППМ 2, СВЧ-выход каждого из которых соединяется с излучателем приемо-передающей антенной решетки. Управляющий микроконтроллер 1 имеет каналы связи и синхронизации. Входные СВЧ-элементы связи 3 ППМ 2 соединяются с распределителем мощности АФАР, а выходные СВЧ-элементы связи 4 ППМ 2 соединяются с излучателями АФАР. Эти СВЧ-элементы связи могут быть выполнены или в виде циркуляторов, или в виде двухпозиционных СВЧ-коммутаторов (пунктирной линией на чертеже показана их связь с микроконтроллером 1, что обеспечивает подачу управляющих команд на переключение двухпозиционного СВЧ-коммутатора из режима прием в режим передача и обратно.
Поскольку мощность сигнала в приемном канале 5 существенно меньше, чем в передающем канале 6, целесообразно в первом случае помещать усилитель на входе тракта, а во втором - на выходе, причем для уменьшения потерь энергии при линейном режиме мощного усилителя мощности 13 запирать его в режиме приема или коммутировать его питание с помощью транзисторного ключа.
Данные для управления фазовращателями 8, 11, аттенюаторами 9, 12 и модуляции питания усилителя мощности 13 загружаются последовательно от микроконтроллера 1 через канал SPI. Комбинированный регистр 17 с подходящим сочетанием сдвиговой и параллельной частей 18, 19 реализован в серийно выпускаемых микросхемах, например 8-битовых SN74LV595A фирмы Texas Instruments. Обычно для управления фазовращателями достаточно 6 бит, аттенюатора - 5 бит, следовательно, комбинированные регистры 17 должны содержать не менее 2*(6+5)+1=23 двоичных разрядов. То есть на каждый ППМ 2 требуется три микросхемы SN74LV595A.
Тактовые сигналы сдвига проходят через буферные повторители 15 по цепочке CLKI-CLKO в каждом ППМ 2 от последнего к первому, в то время как данные по цепочке DIN-DOUT сдвигаются от первого ППМ 2 к последнему, что гарантирует отсутствие потерь битов из-за неидентичности динамических параметров сдвиговых регистров. Буферный повторитель 15 может быть выполнен на микросхеме SN74LVC1G17. Ретрансляция через ППМ 2 передаваемых микроконтроллером 1 данных MOSI позволяет сделать все межсоединения ППМ 2 очень короткими и удобными (то же относится к цепям питания, не показанным на чертеже). В качестве микроконтроллера 1 может использоваться микросхема Atmega32A. Схема совпадений 16 может быть выполнена на микросхеме SN74LVC1G08.
Для каждого положения луча требуется не более двух байтов данных для фазовращателей на каждый ППМ плюс два байта для аттенюаторов, которые не зависят от положения луча. При каждой загрузке в сдвиговые регистры 4 байта упаковываются в 3. Таким образом, при N ППМ и К положениях луча микроконтроллер 1 должен хранить V=2*K*N+2*N байтов управляющей информации. С учетом симметрии амплитудного распределения и антисимметрии фазового при сканировании относительно нормали к плоскости решетки достаточно хранить данные только для K/2 положений, т.е. половину: V=N*(K+1); при N=8, K=128, V=1032 байта. Многие микроконтроллеры имеют достаточный объем ОЗУ для загрузки и хранения такого количества данных. Поскольку объем ПЗУ, как правило, значительно больше, чем ОЗУ, в принципе можно хранить полный массив данных для всех М многоканальных модулей вместе с программой в каждом микроконтроллере; при этом каждый многоканальный модуль использует лишь свою часть, предварительная загрузка управляющих данных не требуется.
Цикл работы системы при сканировании заключается в следующем. ЦУУ выдает в широковещательном режиме всем М многоканальным модулям АФАР на магистрали команду установки луча в положение с номером +J или -J. Каждый многоканальный модуль извлекает из своей памяти соответствующие данные о фазовом сдвиге и ослаблении, инвертирует в случае необходимости, упаковывает в соответствующий формат, зависящий от назначения битов (для фазовращателей 8, 11 и аттенюаторов 9, 12) и побайтно сдвигает, последовательно загружая сдвиговые части комбинированных регистров 17 всех N ППМ. При этом управляющие данные на параллельных выходах всех регистров комбинированных регистров 17 не изменяются, т.е. в процессе загрузки новых данных диаграмма АФАР не меняется. Если многоканальный модуль состоит из восьми ППМ (N=8), то для их загрузки данными необходимо 192 такта, что требует порядка 100…120 мкс. ЦУУ может поочередно опросить многоканальные модули о завершении загрузки в режиме индивидуальной адресации. Выход цепочки данных (MISO) может использоваться для контроля исправности сдвиговых частей комбинированных регистров 17 и их цепей управления.
По окончании загрузки всех многоканальных модулей АФАР модулями в нужный момент ЦУУ подает на все соответствующие входы строб SET, в результате чего на все управляемые элементы решетки одновременно подаются данные, соответствующие новому положению луча. Пока луч находится в фиксированном положении, в соответствии с законом излучения согласованно с амплитудным СВЧ-модулятором подаются стробы T/R на модуляторы питания усилителей мощности передающих каналов 6. В штатном режиме разрешение на схему совпадения 16 должно подаваться всегда; запрет излучения используется при калибровке и контроле работоспособности, когда, например, запитывается проверяемый передающий канал 6 только одного ППМ.
Помимо собственно управления лучом, микроконтроллер многоканального модуля обеспечивает вспомогательные функции контроля питания, температуры, комплексную проверку работоспособности, загрузку управляющих данных, помимо имеющихся в постоянных таблицах, и т.д.
Источники информации
1. Патент РФ 2338306.
2. Патент США 4791421.
3. Патент США 5093667.
4. Патент США 5745076.
5. Патент РФ 2206155 (прототип).