ЭЛЕКТРОННЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ
ELECTRONIC PHASE CHANGER

Изобретение относится к устройствам радиоэлектроники, в которых автоматически регулируется скорость квазипеременных процессов с целью достижения определенных фазовых соотношений между ними. Такие задачи часто встречаются в радиолокации, радионавигации, антенной технике и др. Техническое решение указанных задач часто достигается посредством систем фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Стандартная система ФАПЧ представляет собой следящую систему автоматического регулирования с одним входом, одним выходом, однопетлевой обратной связью и содержащую эталонный и подстраиваемый генераторы, фазовый детектор, устройство управления, которая воздействует только на частоту подстраиваемого генератора (Левин В.А. Стабилизация дискретного множества частот, Энергия, Москва, 1970 г., с.270-295 [1], Шахгильдян В.В, Ляховкин А.А. Системы фазовой автоподстройки частоты, «Связь», Москва, 1972 г., с.362-375 [2]) - прототип.
Электромеханическое и электрическое сканирование лучом антенной системы в широком диапазоне углов в большинстве случаев осуществляется с помощью системы механических или электрических (полупроводниковых, ферритовых, плазменных) управляемых фазовращателей, включенных определенным образом в волноводно-фидерный тракт антенной системы (Дерюгин Л.Я. Сканирующие антенны СВЧ, Машиностроение, 1964 г., с.177-195, 217-240 [3]). Они вносят в тракт значительные потери высокочастотной мощности, являются источником фазовых и амплитудных ошибок в раскрыве антенны, ограничивают пропускаемую мощность. Отражения от фазовращателей увеличивают дисперсионность тракта и существенно затрудняют настройку антенной системы. Кроме этого электрические фазовращатели характеризуются большими тепловыми потерями, неидентичностью образцов, тепловой и временной нестабильностью. Все это значительно ухудшает характеристики фазированных антенных решеток (коэффициент полезного действия, шумовую температуру, коэффициент усиления, разрешающую способность, уровень боковых лепестков, быстродействие) по сравнению с характеристиками аналогичных не сканирующих антенной систем. Современное развитие техники, требующее неуклонного увеличения скорости обзора пространства, делает в настоящее время электрическое сканирование наиболее востребованным. Для устранения указанных недостатков ведутся интенсивные исследования. Одним из таких направлений (в отличие от традиционных, малоперспективных) является разработка фазированных антенных решеток с размерами излучателей (элементов) больше длины волны и использованием электронных фазовращателей взамен традиционных (ферритовых, плазменных, полупроводниковых).
Целью изобретения является разработка устройства автоматической выработки разности фаз двух независимых генераторов (электронного фазовращателя).
Техническим результатом заявляемого решения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно устранение фазовых и амплитудных ошибок в раскрыве антенны, ограничений на подводимую мощность, отсутствие тепловых и потерь в/ч мощности. Это достигается тем, что электронный фазовращатель, содержащий петлю синхронизации, включающую эталонный и ведущий генераторы, фазовый детектор, выход которого соединен с входом устройства управления, выход которого подключен к входу ведущего генератора, входы фазового детектора соединены с выходами первого и второго направленных ответвителей, и эталонную нагрузку, отличается тем, что введены подстроечный генератор, второй фазовый детектор, второе устройство управления, генератор фазы и третий и четвертый направленные ответвители, образующие вместе с ведущим генератором петлю фазирования, при этом выход генератора фазы подключен к входу второго фазового детектора, второй и третий входы которого подключены к выходам второго и третьего направленных ответвителей, а выход - к входу второго устройства управления, выход которого подключен к входу подстроечного генератора, выходы ведущего и подстроечного генераторов через направленные ответвители подключены к соответствующим входам антенного излучателя.
Представленные чертежи поясняют суть предлагаемого решения.
На чертеже приведена структурная схема электронного фазовращателя и фрагмент антенной решетки, излучатели которой представляют двухуровневые элементы с входами А, Б.
На обозначены:
1, 1а, 1б - эталонный, ведущий и подстроечный генераторы;
2 - направленный ответвитель;
3 - эталонная нагрузка;
4, 4а - фазовый детектор;
5, 5а - устройство управления;
6 - генератор фазы;
А, Б - входы двухуровневого излучателя (элемента) антенной решетки.
Петли синхронизации и фазы представляют собой типовые схемы ФАПЧ, которые дополнены эталонной нагрузкой и генератором фазы. Нагрузкой генераторов 1а, 1б является антенная система, входное сопротивление которой всегда является комплексным, поэтому нестабильным. С целью уменьшения влияния этой нестабильности эталонный генератор 1 нагружен на эталонную нагрузку 3, которая является активной.
эт
вед
Колебания частоты ω и ω эталонного и ведущего генераторов 1, 1а подаются на вход фазового детектора 4. На выходе фазового детектора 4 формируется сигнал ошибки, пропорциональный разности фаз сигналов генераторов 1, 1а, который подается на вход устройства 5 управления, формирующего сигнал, корректирующий эту расстройку.
Стационарный режим в системе (петля синхронизации) соответствует условию:
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>в</mi><mi>е</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>Δ</mi><mi>ω</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><mi>φ</mi><mo>=</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>t</mi></munderover><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>в</mi><mi>е</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow>
.
эт
вед
эт
под
Начальная фаза генератора 1 φ неизвестна, но она является одинаковой для генераторов 1, 1а. Сигнал частоты ω с начальной фазой φ генератора 1а и сигнал частоты ω генератора 1б через направленный ответвитель 2 поступают на вход фазового детектора 4а петли фазирования, этот же сигнал через направленный ответвитель 2 подается на вход A двухуровневого излучателя (элемента) антенной решетки.
вед
под
1а1б
под
1a1б
В петлю фазирования, кроме типовых элементов системы ФАПЧ, введен генератор 6 фазы, который вырабатывает сигнал фазовой расстройки Δφ, который поступает на вход фазового детектора 4а. На выходе фазового детектора 4а формируется сигнал, пропорциональный требуемой величине расстройки (ω-ω)=Δω≠0, который подается на вход устройства 5а управления, формирующего сигнал, посредством которого подстроечный генератор 1б отрабатывает требуемую расстройку, разность фаз φ. Сигнал подстроечного генератора 1б частоты ω с начальной фазой φ через направленный ответвитель 2 поступает на вход Б излучателя (элемента) антенной решетки.
Стационарный режим в петле фазирования соответствует условию
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>в</mi><mi>е</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>Δ</mi><mi>ω</mi><mo>≠</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><msub><mi>φ</mi><mrow><mn>1</mn><mi>а</mi><mn>1</mn><mi>б</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>t</mi></munderover><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>в</mi><mi>е</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow>
,
На основании полученной разности фаз между сигналами генераторов 1а и 1б на раскрыве излучателя (апертуре) каждого элемента формируется требуемое амплитудно-фазовое распределение, которое определяет пространственную ориентацию луча каждого элемента и ориентацию всех дифракционных максимумов антенной системы, а значит и ее диаграммы направленности.
Таким образом электронный фазовращатель задает требуемую разность фаз сигналов возбуждения каждого элемента и обеспечивает электрическое сканирование луча антенной решетки.
Электронный фазовращатель не вносит никаких дополнительных искажений в тракт антенной системы и обладает высоким быстродействием. Требования, которые должны предъявляться к электронному фазовращателю, зависят от свойств многоуровневых (многомодовых) элементов антенной решетки. Ограничения на ширину полосы пропускания отсутствуют, а диапазон углов изменения разности фаз не превышает величины порядка 0…±30°.
На предлагаемых принципах с использованием электронного фазовращателя довольно просто можно конструировать как пассивные, так и активные ФАР, как приемные, так и передающие. Электронный фазовращатель не накладывает никаких дополнительных ограничений на энергетику ФАР, и она избавлена от перечисленных выше недостатков [3].