АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Предлагаемое изобретение относится к радиолокации, в частности к активной фазированной антенной решетке (АФАР) в составе импульсно-доплеровской радиолокационной станции, которая позволяет вести управление как направлением излучения и приема, так и параметрами зондирующего сигнала. Изобретение направлено на повышение помехозащищенности радиолокационной станции к помехам по зеркальному каналу и уменьшение вероятности возникновения ложных целей.
В настоящее время возникает необходимость создания устройств широкого назначения с разными заданными характеристиками использующих АФАР. Так построение современных наземных, авиационных и космических высокоинформативных радиокомплексов на основе АФАР открывает дополнительные возможности по энергетическому потенциалу, гибкости управления характеристиками системы в целом, повышению надежности, существенному расширению круга решаемых задач. Требование по формированию множества различных приемных диаграмм, определяет структуру АФАР с использованием цифрового диаграммообразования.
Известен приемопередающий модуль (ППМ) для АФАР [1], построенный на базе гибридной и твердотельной микроволновой технологии, работающий в L-диапазоне. Данный ППМ содержит устройства управления мощностью и фазой излучаемых и принимаемых СВЧ сигналов, амплитудой принимаемых сигналов, СВЧ переключателями приема-передачи, модуляторами смещений, обеспечивающих регулировку потребления узлами ППМ при передаче и приеме, устройство интерфейса, обеспечивающего получение внешних управляющих сигналов и передачу на исполнительные узлы, устройства контроля мощности излучаемых и принимаемых сигналов в виде детекторов, подключенных к соответствующим СВЧ фидерам через направленные ответвители, устройство отбора части мощности зондирующего сигнала для контроля параметров внутриимпульсной модуляции, состоящее из направленного ответвителя и управляемого СВЧ ключа. При передаче первичный импульсный СВЧ сигнал на несущей частоте через первый вход-выход ППМ поступает на управляемый фазовращатель. Здесь он получает заданный сдвиг по фазе и через управляемый СВЧ переключатель, находящийся в положении передачи, поступает на усилитель мощности. Далее усиленный сигнал через первый циркулятор поступает на элемент антенной решетки (АР) и излучается. При приеме сигнал, принятый элементом АР, через первый циркулятор поступает на устройство защиты приемника. Оно состоит из последовательно включенных второго циркулятора и СВЧ ключа, срабатывающего при превышении пороговой мощности и наличии управляющего сигнала приема-передачи. Третий вход-выход второго циркулятора нагружен согласованной нагрузкой, обеспечивающей поглощение мощного сигнала, отраженного от СВЧ ключа. Принятый сигнал, прошедший СВЧ ключ, ограничивается по уровню в ограничителе. Затем он селектируется по частоте в преселекторе и усиливается двумя малошумящими усилителями (МШУ), между которыми включен регулируемый аттенюатор. Усиленный сигнал через регулируемый аттенюатор, управляемый СВЧ переключатель, находящийся в положении приема, и управляемый фазовращатель поступает на первый вход-выход ППМ.
В данном ППМ применен преселектор, который при высокой промежуточной частоте обеспечивает подавление зеркального канала приема. Он также обеспечивает защиту от широкополосных помех.
Недостатком ППМ является нестабильность параметров диаграммы направленности (ДН) на передачу и прием, вызванная зависимостью параметров управляемого фазовращателя от фазового сдвига, температуры и старения. Из-за ограниченного числа коммутаторов шаг перестройки фазы на несущей частоте обычно равен 22,5°, что приводит к росту погрешностей формирования ДН.
Известен управляемый по частоте и фазе ППМ, используемый в АФАР [2]. В одном из его вариантов (Фиг.6) выходной передаваемый сигнал на несущей частоте получают с помощью векторного модулятора. На первый вход модулятора приходит когерентный гетеродинный СВЧ сигнал. Несущая частота на втором входе-выходе векторного модулятора на интервале передачи сдвинута относительно частоты когерентного гетеродина на промежуточную частоту, а его начальная фаза жестко задана цифровым управляющим сигналом. Второй вход-выход векторного модулятора через СВЧ переключатель, управляемый сигналом приема-передачи, соединен с усилителем мощности, сигнал которого через циркулятор поступает на элемент АР и далее излучается. При приеме сигнал с соответствующего элемента АР через последовательно соединенные циркулятор и ключ защиты приемника поступает на малошумящий усилитель. С его выхода сигнал через СВЧ переключатель поступает на второй вход-выход векторного модулятора, который выполняет функцию квадратурного смесителя. С третьего входа-выхода векторного модулятора на интервале приема выводится принятый элементом АР квадратурный сигнал, перенесенный на промежуточную частоту. Третий квадратурный вход-выход векторного модулятора подключен к паре аналого-цифровых преобразователей, выходы которых являются квадратурными сигнальными выходами ППМ. Они соединены с соответствующими сигнальными входами центрального процессора, где производится дальнейшая совместная обработка сигналов всех ППМ. Также рассмотрены варианты оцифровки сигнала на третьем выходе векторного модулятора с получением на видеочастоте квадратур сигнала для нескольких различных по форме и направлению диаграмм направленности антенны (ДНА).
Векторный модулятор состоит из квадратурного балансного смесителя, коммутатора, управляемого внешним сигналом приема-передачи, и квадратурного генератора прямого цифрового синтеза (КГПС), который тактируется внешним сигналом, общим для всех ППМ. На первый вход квадратурного балансного смесителя через первый вход векторного модулятора поступает сигнал когерентного гетеродина, общий для всех ППМ. Второй квадратурный вход-выход балансного смесителя через коммутатор соединен либо с выходом КГПС, либо с третьим квадратурным выходом векторного модулятора.
Недостатком устройства является слабая защита АФАР от помех по зеркальному каналу приема и от широкополосных помех. Зондирующий импульс излучается на несущей частоте. Работа квадратурного смесителя приводит к излучению сигнала также и на зеркальной частоте, сдвинутой относительно несущей на удвоенную промежуточную частоту. Ослабление сигнала на зеркальной частоте может составлять 10-20 дБ. Отраженные от цели на обеих частотах сигналы принимаются антенной и переносятся гетеродином на одинаковую промежуточную частоту. Дополнительное ослабление зеркального канала приема в СВЧ смесителе приемника не превышает 10-20 дБ, что недостаточно. При этом сигнал зеркального канала имеет другой доплеровский сдвиг частоты и создает ложную отметку цели. Кроме того, инвертируется значение фазы сигнала, поэтому излучение и прием будут производиться с противоположного направления. Это увеличивает уровень боковых лепестков ДНА антенны. Описанный ППМ также слабо защищен от воздействия внешних помех на зеркальной частоте и от широкополосных помех (двухчастотной, шумовой заградительной и т.д.).
Еще одним недостатком схемы устройства является недостаточная развязка приемника и передатчика, что может приводить к самовозбуждению схемы. Передатчик и приемник используют общий смеситель и работают, используя общую антенну. При этом развязка обеспечивается СВЧ переключателем и циркулятором, что явно недостаточно. Должны быть предусмотрены дополнительные меры обеспечения устойчивости схемы.
pr
Модификацией [2] является АФАР [3], взятой за прототип, которая использует аналогичный принцип, но имеет ряд улучшений. В данной АФАР используется два когерентных гетеродина, первый формирует сигнал гетеродина передатчика с частотой f1, а второй - формирует сигнал гетеродина приемника с частотой f2. которые поступают на входы коммутатора. Переключение между двумя гетеродинами, позволяет получить промежуточную частоту сигнала на выходе смесителя f=f1+F0-f2. Сигнал, излученный на частоте fb=f1-F0 после отражения от цели, приема и преобразования частоты в смесителе, имеет частоту f1-F0-f2. Она отличается от промежуточной на 2F0, что превышает ширину полосы пропускания фильтра промежуточной частоты. Это обеспечивает эффективное подавление мешающего сигнала. Помимо второго когерентного гетеродина в данную АФАР введен преселектор, который обеспечивает подавление помех на частоте зеркального канала приема, а также широкополосных помех.
Недостатком данной АФАР является малое подавление зеркальной частоты, в результате чего сигнал излучается также и на зеркальной частоте сдвинутой относительно несущей на удвоенную промежуточную частоту. Это приводит к созданию сложной системы когерентных гетеродинов, обеспечивающих работу на разных частотах в режимах приема и передачи, требующей применения дополнительного управляемого коммутатора.
Целью предлагаемого изобретения является улучшение технических характеристик ППМ посредством повышения качества зондирующего сигнала за счет подавления паразитных составляющих в спектре излучаемого сигнала (несущая частота и зеркальный канал). Следствием этого улучшения является повышение помехозащищенности радиолокационной станции к помехам по зеркальному каналу и уменьшение вероятности возникновения ложных целей.
Реализация поставленной задачи обеспечивается введением в по меньшей мере один, ППМ второго преобразователя частоты. Что позволяет формировать зондирующие сигналы в области промежуточных частот, существенно ниже излучаемых. Формирование зондирующих сигналов на промежуточной частоте порядка 1,5 ГГц позволяет применять квадратурные смесители (векторные модуляторы) с параметрами, заметно превосходящими параметры смесителя устройства, выбранного за ближайший аналог, что позволяет выполнение формирования зондирующих сигналов с качественным подавлением несущей частоты и зеркального канала (не менее 40 дБ). Сформированные на промежуточной частоте зондирующие сигналы переносятся с помощью введенного второго преобразователя на рабочую частоту S или X диапазона (или на любую другую). При этом относительно высокая промежуточная частота позволяет не предъявлять жестких требований ко второму смесителю, т.к. все побочные составляющие спектра после преобразования отстоят от полезного сигнала минимум на несколько ГГц и эффективно давятся простым фильтром второго-третьего порядка.
Активная фазированная антенная решетка содержит первый и второй когерентные генераторы, центральный процессор, первый и второй делители мощности, N приемо-передающих модулей, оперативное запоминающее устройство, программируемую логическую интегральную схему, перезаписываемое постоянное запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, векторный модулятор, квадратурный демодулятор, первый и второй полосовые фильтры, усилитель мощности, малошумящий усилитель, циркулятор, защитное устройство.
Особенностью известной АФАР является то, что она дополнительно содержит третий когерентный генератор, третий делитель мощности, делитель частоты, направленный ответвитель, регулируемый аттенюатор, первый и второй смесители, контроллер мощности, первый вход которого соединен со вторым выходом усилителя мощности. Второй выход контроллера мощности соединен с первым входом циркулятора, а третий выход контроллера мощности через второй вход кодека с третьим входом аналого-цифрового преобразователя.
Первый вход регулируемого аттенюатора соединен со вторым выходом векторного модулятора, второй выход регулируемого аттенюатора соединен с первым входом первого смесителя. Второй выход смесителя соединен с первым входом первого полосового фильтра. Второй выход второго полосового фильтра соединен с первым входом второго смесителя, второй выход второго смесителя соединен с первым входом квадратурного демодулятора.
Выход второго делителя мощности через третий вход приемо-передающего модуля соединен с первым входом направленного ответвителя, второй выход направленного ответвителя соединен с первым входом делителя частоты, а третий выход с третьим входом квадратурного демодулятора. Второй выход делителя частоты соединен с четвертым входом программируемой логической интегральной схемы.
Первый вход третьего когерентного генератора через шину данных соединен с центральным процессором, а второй его выход соединен с третьим делителем мощности. Выход делителя мощности через четвертый вход приемо-передающего модуля соединен с третьими входами первого и второго смесителей.
АФАР содержит n+1 приемо-передающих модулей, где n может быть любым числом ППМ.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется структурной схемой АФАР, представленной на фиг 1.
На фиг.1 обозначены:
1 - первый когерентный СВЧ генератор (КГ1),
2 - второй когерентный СВЧ генератор (КГ2),
3 - третий когерентный СВЧ генератор (КГ3),
4 - центральный процессор (ЦПР),
5 - первый делитель мощности (ДМ1),
6 - второй делитель мощности (ДМ2),
7 - третий делитель мощности (ДМ3),
8n - приемо-передающий модуль с номером n (ППМп),
9n - элемент антенной решетки с номером n (An),
11n - оперативное записывающее устройство в составе ППМ(n) (ОЗУ),
11n - программируемая логическая интегральная схема в составе ППМ(n) (ПЛИС),
12n - программируемое постоянное записывающее устройство в составе ППМ(n) (ППЗУ),
13n - делитель частоты в составе ППМ(n) (ДЧ),
14n - направленный ответвитель в составе ППМ(n) (НО),
15n - кодек в составе ППМ(n) (К),
16n - векторный модулятор в составе ППМ(n) (ВМ),
17n - регулируемый аттенюатор в составе ППМ(n) (PAT),
18n - первый смеситель в составе ППМ(n) (СМ1),
19n - первый полосовой фильтр в составе ППМ(n) (ПФ1),
20n - усилитель мощности в составе ППМ(n) (УМ),
21n - элемент контроля мощности в составе ППМ(n) (КМ),
22n - циркулятор в составе ППМ(n) (Ц),
23n - квадратурный демодулятор в составе ППМ(n) (КДМ),
24n - второй смеситель в составе ППМ(n) (СМ2),
25n - второй полосовой фильтр в составе ППМ(n) (ПФ2),
26n - малошумящий усилитель в составе ППМ(n) (МШУ),
27n - защитное устройство в составе ППМ(n) (ЗУ),
28n - цифроаналоговый преобразователь в составе ППМ(n) (ЦАП),
29n - аналого-цифровой преобразователь в составе ППМ(n) (АЦП).
8 АФАР, структура которой представлена на фиг.1, второй выход когерентного СВЧ генератора (1) соединяется с входом делителя мощности (5), второй выход когерентного СВЧ генератора (2) соединяется с входом делителя мощности (6), второй выход когерентного СВЧ генератора (3) соединяется с входом делителя мощности (7).
Первые входы N приемо-передающих модулей (ППМ) (8n) соединены с одним из выходов первого делителя мощности (5), номер выхода соответствует номеру ППМ. Третьи входы ППМ (8n) соединены с одним из выходов делителя мощности (6), номер которого соответствует номеру ППМ. Четвертые входы ППМ (8n) соединены с одним из входов делителя мощности (7), номер выхода соответствует номеру ППМ. Четвертый вход ППМ 8(n) соединен с третьими входами первого (18n) и второго (24n) смесителей.
Первый вход каждого ППМ (8n) соединен с третьим входом векторного модулятора (16n), второй выход которого последовательно с регулируемым аттенюатором (17n), первым смесителем (18n), первым полосовым фильтром (19n) и усилителем мощности (20n) соединен с первым входом контролера мощности (21n). Второй выход контролера мощности (21n) соединен с циркулятором (22n), а выход номер три через второй вход кодека (15n) соединен с третьим входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (29n). Второй вход-выход циркулятора (22n) через пятый вход-выход ППМ (8n) соединен с элементом антенной решетки (9n).
Третий выход циркулятора (22n) последовательно с защитным устройством (27n), малошумящим усилителем (26n), вторым полосовым фильтром (25n), вторым смесителем (24n) соединен с первым входом квадратурного демодулятора (23n). Третий вход ППМ (8n) соединен с первым входом направленного ответвителя (14n). Третий выход направленного ответвителя (14n) соединен с третьим входом квадратурного демодулятора (23n), а второй выход последовательно с делителем частоты (13n) соединен с четвертым входом программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) (11n).
Вторые входы-выходы N приемо-передающих модулей (8n) соединены со вторым входом-выходом центрального процессора (4). Второй вход-выход ППМ (8п) соединен с первым входом-выходом ПЛИС (11n). Пятый вход-выход ПЛИС (11n) соединен с первым входом-выходом перепрограммируемого постоянного записывающего устройства (12n). Третий вход-выход ПЛИС (11n) через первый вход кодека (15n) соединен с первым входом цифроаналогового преобразователя (ЦАП) (28n) и первым выходом аналого-цифрового преобразователя (29n). Второй выход ЦАП (28n) через четвертый выход кодека (15n) соединен с первым входом векторного модулятора (16n). Второй вход АЦП (29n) через третий вход кодека (15n) соединен со вторым выходом квадратурного демодулятора (23n).
Первый вход-выход центрального процессора (4) соединен с первыми входами-выходами первого, второго и третьего когерентных генераторов. Третий вход-выход центрального процессора (4) обеспечивает связь АФАР с потребителем.
Заявляемая АФАР работает следующим образом.
Перед началом работы по шине данных в центральный процессор поступают команды от потребителя, задающего основные режимы работы АФАР. Центральный процессор устанавливает тип и длительность зондирующего импульса, период повторения, параметры вобуляции и внутриимпульсной модуляции в когерентном генераторе (1). Запускает когерентные генераторы (2) и (3) формирующие опорные частоты для квадратурного демодулятора (23n) и смесителей (18n) и (24n). Все когерентные генераторы синхронизированы единым термостатированным кварцевым генератором, что обеспечивает пространственную и временную когерентность АФАР.
Сформированные сигнал на излучение и опорные частоты поступают на делители мощности (5, 6 и 7) соответственно. Делители мощности осуществляют распределение указанных выше сигналов с минимальными фазовым и амплитудным разбалансами и выдают их на ППМ (8п). Номера выходов делителей соответствуют номеру ППМ.
Центральный процессор (4), помимо указанных выше функций, осуществляет управление ППМ (8n), и сбор принятой информации о цели, для чего соединен с ПЛИС внутри ППМ шиной данных. ПЛИС совместно с перезаписываемым постоянным запоминающим устройством (12n) и ОЗУ (10n) выполняют следующие функции: хранение данных о значениях регулируемой фазы при формировании диаграммы направленности на передачу; управление цифроаналоговым преобразователем (ЦАП); введение поправочных коэффициентов, необходимых для юстировки АФАР; прием цифровой информации от АЦП; предварительная обработка принятого сигнала, обеспечивающая меньшую нагрузку на центральный процессор; контроль работоспособности модуля.
Для формирования диаграммы направленности на излучение двухканальный ЦАП (28n), расположенный в кодеке (15n), из пришедшего на его вход потока цифровых данных формирует два независимых аналоговых сигнала, один из аналоговых сигналов запаздывает по фазе относительно другого на π/2. Поступая на векторный модулятор (16n), синусная и косинусная составляющие сформированного сигнала осуществляют фазовую модуляцию зондирующего импульса, пришедшего с когерентного генератора. С выхода векторного модулятора сигнал снимается на первой промежуточной частоте.
Представленные в настоящий момент на рынке векторные модуляторы не могут обеспечить прецизионную точность установки фазы при условии регулировки амплитуды, поэтому для формирования амплитудного распределения по антенной решетке используется регулируемый аттенюатор, через который проходит зондирующий импульс.
Смеситель (18n) обеспечивает перенос сигнала на требуемую частоту, после чего сигнал фильтруется полосовым фильтром (19n), усиливается до необходимого уровня с помощью выходного усилителя (20n) и через циркулятор 22(n) поступает на антенный излучатель (9n).
Контроллер мощности (21n) представляет собой направленный ответвитель и детектор мощности, обеспечивающие измерение мощности на выходе усилителя мощности. Данный аналоговый сигнал оцифровывается в дополнительным АЦП, входящим в состав кодека (15n) и передается в ПЛИС (11n). По результатам сравнения этого сигнала с заданным уровнем выносится решение об излученной мощности и работоспособности модуля. В случае выхода канала из строя, подается сигнал на центральный процессор и выносится решение о необходимости замены модуля.
Обработка принятого сигнала и формирование диаграммы направленности на прием происходит следующим образом: принятый сигнал усиливается малошумящим усилителем (26n), обеспечивающим требуемую чувствительность приемного тракта, фильтруется для подавления зеркального канала с помощью полосового фильтра (25n). Смеситель (24n) переносит усиленный сигнал на первую промежуточную частоту.
На выходе квадратурного демодулятора (23n) формируются косинусная и синусная составляющие принятого сигнала в области нулевых частот. В его состав входит усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, с помощью которого обеспечивается регулировка уровня выходного демодулированного сигнала для перекрытия динамического диапазона АЦП (29n), осуществляющего преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую.
После получения полной цифровой информации о принятом сигнале и отправке ее в центральный процессор, программные методы обработки информации по известным алгоритмам позволяют с высокой степенью точности выполнять операции, связанные с пространственной и временной обработкой сигнала.
При работе ППМ в режиме приема устойчивость работы СВЧ части обеспечивается ее развязкой от передающей части. Развязка осуществляется применением раздельных смесителей и циркулятора. Помимо этого, после окончания зондирующего импульса запирается усилитель мощности (20n), а на смеситель (18n) перестает подаваться опорный сигнал. Дополнительное ослабление можно внести регулируемым аттенюатором (17n).
В качестве оперативного записывающего устройства (10n) может быть использована микросхема PC28F512P30BFA фирмы Micron.
В качестве программируемой логической интегральной (11n) схемы может быть использована микросхема EP4CGX75DF27I7N фирмы Altera.
В качестве перепрограммируемого постоянного записывающего устройства (12n) может быть использована микросхема CY7C1380DV33 фирмы Cypress.
В качестве кодека (15n), включающего АЦП, ЦАП и ряд периферийных устройств, может быть использована микросхема AD9963 фирмы AnalogDevice.
В качестве векторного модулятора (16n) может быть использована микросхема AD8341 фирмы AnalogDevice.
В качестве квадратурного демодулятора (23n) может быть использована микросхема AD8347 фирмы AnalogDevice.
Полосовые фильтры могут быть выполнены в качестве микрополосковых линий.
Остальные элементы АФАР (когерентные СВЧ генераторы 1, 2 и 3, делители мощности (5), (6) и (7), делитель частоты (13n), направленный ответвитель (14n), усилитель мощности (20n), контролер мощности (21n), циркулятор (22n), защитное устройство (27n), малошумящее устройство (26n) широко используются в радиолокации и не требуют дополнительных пояснений по реализации.
Используемые источники информации:
1. Патент US №6784837, 31.08.04 г., «Transmit/receiver module for active phased array antenna», кл. H01Q 3/22.
2. Патент US №6441783, 27.08.02 г., «Circuit module for a passed аrrау», кл. H01Q 3/22.
3. Патент RU №2451373, 20.05.12 г., «Активная фазированная антенная решетка», H01Q 3/26.