Фазированная антенная решетка

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в СВЧ антенной технике в составе фазированных антенных решеток, использующих моноимпульсный метод пеленгации. Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, что для приведения формы амплитудного распределения по разностному каналу в плоскости, ортогональной плоскости расположения главного распределителя (в плоскости расположения линеек ВРС), к оптимальному виду для разностной диаграммы направленности в ВРС фазированной антенной решетки, вводят дополнительные 4К линеек ВРС, имеющих 2N выходов и N фазирующих секций каждая, а также вторые четыре дополнительных линейки направленных ответвителей в состав главного распределителя, каждая из которых состоит из К направленных ответвителей и имеет 2К выходов. Кроме того, вводят дополнительные суммирующее устройство и направленный ответвитель, соединенные через две дополнительные фазирующие секции. При этом вход СВЧ-сумматора, соответствующий разностной неоптимизированной ДН в плоскости линеек ВРС, соединен с выходом первой дополнительной фазирующей секции, вход которой подключен к одному из выходов дополнительного направленного ответвителя, второй выход которого соединен с входом второй фазирующей секции, а выход этой секции подключен к входу дополнительного суммирующего устройства. При этом каждый из четырех выходов дополнительного суммирующего устройства соединен с соответствующими входами вторых дополнительных линеек направленных ответвителей. В свою очередь, К выходов каждой из этих линеек направленных ответвителей, в которые не поступает СВЧ-сигнал, соединены с К согласованными нагрузками, а другие К выходов вторых дополнительных линеек направленных ответвителей подключены к К входам дополнительных линеек ВРС. Причем выходы каждой из дополнительных линеек ВРС, в которые не поступает СВЧ-сигнал, соединены с N согласованными нагрузками, а другие N выходов дополнительных линеек ВРС подключены к N фазирующим секциям, выходы которых, в свою очередь, соединены с соответствующими N выходами основных линеек ВРС. При этом фазированная антенная решетка состоит из 4К панелей излучателей, 4К блоков фазовращателей, волноводной распределительной системы, состоящей из 4К линеек ВРС и главного распределителя. Главный распределитель, в свою очередь, состоит из СВЧ-сумматора, имеющего четыре выхода и один суммарный и два разностных входа, суммирующего устройства, имеющего четыре выхода и один разностный вход, а также четырех основных и четырех первых дополнительных линеек НО, входы которых соединены, соответственно, с выходами СВЧ-сумматора и суммирующего устройства. Вход СВЧ-сумматора, по которому формируется неоптимизированная разностная ДН в плоскости расположения главного распределителя, и вход суммирующего устройства соединены через фазирующие секции с выходами направленного ответвителя, по входу которого формируется оптимизированная разностная диаграмма направленности, (т.е. ДН с пониженным уровнем боковых лепестков в плоскости расположения главного распределителя). Таким образом, за счет введения в фазированную антенную решетку перечисленных новых элементов и узлов удается приблизить к оптимальному виду амплитудное распределение и, соответственно, понизить уровень боковых лепестков диаграммы направленности для разностного канала в плоскости расположения линеек ВРС. При этом амплитудное распределение и, соответственно, диаграмма направленности по суммарному каналу не изменяется, а амплитудное распределение и, соответственно, диаграмма направленности по разностному каналу в плоскости главного распределителя остаются оптимальными.

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в СВЧ антенной технике в составе фазированных антенных решеток, использующих моноимпульсный метод пеленгации.

Известна фазированная антенная решетка (ФАР) с центральным возбуждением, содержащая линейные излучатели, соединенные с управляемыми фазовращателями, СВЧ-сумматор и волноводный распределитель, выполненный из направленных ответвителей и магистральных волноводов. [«Фазированная антенная решетка с центральным возбуждением», авт. Белошапкин Е.П., Кожухов Ю.А. и др., пат. RU 02070759 С1 опубл. 20.12.1996 г.].

Недостатком этого технического решения является высокий уровень боковых лепестков разностных диаграмм направленности.

Известна статья «Волноводная распределительная система бортовой антенны с электронным управлением лучом», авт. Синани А.И., Позднякова Р.Д., Митин В.А., «Антенны», вып.6 (61), 2002 г.

В этой бортовой антенне используется ВРС строчно-столбцового типа, в которой имеется четыре строчно-столбцовых делителя, каждый из которых разветвляет СВЧ-энергию в одном из квадрантов апертуры, и СВЧ-сумматор, запитывающий четыре упомянутые делителя с требуемыми для формирования суммарно-разностных диаграмм направленности фазовыми соотношениями.

Недостатком этого технического решения является высокий уровень боковых лепестков разностных диаграмм направленности, определяемый примененным способом формирования амплитудного распределения в апертуре антенны (ВРС формирует в раскрыве амплитудное распределение, спадающее от центра к краям, оптимальное для суммарного канала, в то же время являющееся неоптимальным для разностных каналов [«Теория синтеза антенн», авт. Б.М.Минкович, В.П.Яковлев, изд. «Советское радио», Москва, 1969 г.]).

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является фазированная антенная решетка, состоящая из панелей излучателей, блоков фазовращателей, линеек волноводной распределительной системы и главного распределителя, в состав которого введены дополнительные линейки направленных ответвителей, суммирующее устройство и направленный ответвитель с фазирующими секциями, что в совокупности обеспечивает снижение уровня боковых лепестков разностной ДН в плоскости расположения главного распределителя на 10÷15 дБ [«Фазированная антенная решетка», пат. 2297699 опубл. 20.04.2007 г., авт. Синани А.И., Митин В.А., Позднякова Р.Д. и др.].

Недостатком этого технического решения является высокий уровень боковых лепестков разностной ДН в плоскости, ортогональной плоскости расположения главного распределителя, т.е. оптимизация разностных характеристик проведена только в одной плоскости.

Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, что для приведения формы амплитудного распределения по разностному каналу в плоскости, ортогональной плоскости расположения главного распределителя (в плоскости расположения линеек ВРС), к оптимальному виду для разностной диаграммы направленности в ВРС фазированной антенной решетки вводят дополнительные 4К линеек ВРС, имеющих 2N выходов и N фазирующих секций каждая, а также вторые четыре дополнительных линейки направленных ответвителей в состав главного распределителя, каждая из которых состоит из К направленных ответвителей и имеет 2К выходов. Кроме того, вводят дополнительные суммирующее устройство и направленный ответвитель, соединенные через две дополнительные фазирующие секции. При этом вход СВЧ-сумматора, соответствующий разностной неоптимизированной ДН в плоскости линеек ВРС, соединен с выходом первой дополнительной фазирующей секции, вход которой подключен к одному из выходов дополнительного направленного ответвителя, второй выход которого соединен с входом второй фазирующей секции, а выход этой секции подключен к входу дополнительного суммирующего устройства. При этом каждый из четырех выходов дополнительного суммирующего устройства соединен с соответствующими входами вторых дополнительных линеек направленных ответвителей. В свою очередь, К выходов каждой из этих линеек направленных ответвителей, в которые не поступает СВЧ-сигнал, соединены с К согласованными нагрузками, а другие К выходов вторых дополнительных линеек направленных ответвителей подключены к К входам дополнительных линеек ВРС. Причем выходы каждой из дополнительных линеек ВРС, в которые не поступает СВЧ-сигнал, соединены с N согласованными нагрузками, а другие N выходов дополнительных линеек ВРС подключены к N фазирующим секциям, выходы которых, в свою очередь, соединены с соответствующими N выходами основных линеек ВРС.

В результате вход дополнительного направленного ответвителя является разностным входом, по которому формируется разностная диаграмма направленности фазированной антенной решетки в плоскости расположения линеек ВРС с пониженным уровнем БЛ (оптимизированная ДН).

При этом фазированная антенная решетка состоит из 4К панелей излучателей, 4К блоков фазовращателей, волноводной распределительной системы, состоящей из 4К линеек ВРС и главного распределителя. Главный распределитель, в свою очередь, состоит из СВЧ-сумматора, имеющего четыре выхода и один суммарный и два разностных входа, суммирующего устройства, имеющего четыре выхода и один разностный вход, а также четырех основных и четырех первых дополнительных линеек НО, входы которых соединены, соответственно, с выходами СВЧ-сумматора и суммирующего устройства. Вход СВЧ-сумматора, по которому формируется неоптимизированная разностная ДН в плоскости расположения главного распределителя, и вход суммирующего устройства соединены через фазирующие секции с выходами направленного ответвителя, по входу которого формируется оптимизированная разностная диаграмма направленности, (т.е. ДН с пониженным уровнем боковых лепестков в плоскости расположения главного распределителя).

Таким образом, за счет введения в фазированную антенную решетку перечисленных новых элементов и узлов удается приблизить к оптимальному виду амплитудное распределение и, соответственно, понизить уровень боковых лепестков диаграммы направленности для разностного канала в плоскости расположения линеек ВРС. При этом амплитудное распределение и, соответственно, диаграмма направленности по суммарному каналу не изменяется, а амплитудное распределение и, соответственно, диаграмма направленности по разностному каналу в плоскости главного распределителя остаются оптимальными.

Технический результат предлагаемого решения заключается в существенном снижении уровня боковых лепестков разностной ДН в плоскости расположения линеек ВРС при пониженном уровне боковых лепестков в плоскости расположения главного распределителя, т.е. в достижении возможности снижения УБЛ разностной ДН одновременно в двух главных плоскостях.

На фиг.1 приведена функциональная схема фазированной антенной решетки с оптимизированными суммарно-разностными характеристиками в двух плоскостях.

На фиг.2 приведена расчетная разностная ДН в плоскости расположения линеек ВРС в сравнении с ДН прототипа.

Фазированная антенная решетка, функциональная схема которой, как пример выполнения, приведена на фиг.1, состоит из 4К панелей излучателей 1, 4К блоков фазовращателей 2, 4К линеек ВРС 3, каждая из которых состоит из основной линейки ВРС 3¹, дополнительной линейки ВРС 3², соединенных поканально с помощью фазирующих секций 18, и N согласованных нагрузок, и главного распределителя в составе четырех основных линеек НО 4, четырех первых дополнительных линеек НО 5 четырех вторых дополнительных линеек НО 17, СВЧ-сумматора 7, суммирующего устройства 8, дополнительного суммирующего устройства 13, направленных ответвителей 9 и 16 и фазирующих секций 10, 11, 14 и 15. При этом основная и первая дополнительная линейки НО главного распределителя поканально соединены фазирующими секциями 6, а выходные каналы дополнительных линеек НО (первых и вторых), в которые направленно не ответвляется СВЧ-сигнал, соединены с 8К согласованными нагрузками.

Предлагаемая фазированная антенная решетка с оптимизированными разностными ДН в двух плоскостях работает следующим образом:

- в режиме «на передачу» сигнал от передатчика через элементы волноводного тракта и СВЧ-сумматор 7 поступает на входы основных линеек НО 4 главного распределителя и через ответвленные каналы направленных ответвителей линеек 4 на входы основных линеек ВРС 3¹ , после деления в которых и прохождения блоков фазовращателей 2 и панелей излучателей 1 формируют в раскрыве ФАР амплитудное распределение, обеспечивающее заданные характеристики излучения;

- в режиме «на прием» сигналы от панелей излучателей 1, пройдя блоки фазовращателей 2, поступают на выходы основных линеек ВРС 3¹ и далее (при точном совпадении направлений излучаемого и принятого сигналов) проходят в обратном направлении только через те же элементы и узлы, через которые проходили в режиме «на передачу».

При точном совпадении направлений излучаемого и принятого сигналов в плоскости линеек ВРС и неточном совпадении направлений излучаемого и принятого сигналов в плоскости главного распределителя просуммированные в основных линейках ВРС 3¹ сигналы поступают в основные линейки НО главного распределителя 4 и через фазосдвигающие секции 6 в ответвленные каналы первых дополнительных линеек НО 5, а потом поступают на выходы (Вых.1÷Вых.4) СВЧ-сумматора 7 и суммирующего устройства 8, в результате формируя на входах СВЧ-сумматора 7 сигналы, соответствующие суммарной (Вх.) и одной разностной (неоптимизированной) ДН (Вх.1).

После фазировки секциями 9 и 10 сигналов от соответствующих входов сумматора 7 и суммирующего устройства 8 сигналы поступают на выходы 1 и 2 направленного ответвителя 9, в результате формируя на входе ответвителя 9 (УМ) сигналы, соответствующие разностной ДН с пониженным уровнем боковых лепестков (оптимизированной) в плоскости расположения главного распределителя.

При неточном совпадении направлений излученного и принятого сигналов также и в плоскости линеек ВРС одна часть сигналов, поступивших на выходы основной линейки ВРС 3¹ , суммируется в ней и проходит те же этапы сложения, что и при точном совпадении излученного и принятого сигналов в плоскости линеек ВРС и неточном в плоскости главного распределителя, а другая часть поступивших на выходы линейки 3¹ сигналов проходит через фазосдвигающие секции 18 в дополнительную линейку ВРС 3², суммируется в ней и поступает в ответвленные каналы второй дополнительной линейки НО 17 главного распределителя, а затем в дополнительное суммирующее устройство 13. При этом на соответствующем входе СВЧ-сумматора 7 (Вх.2) формируются сигналы, соответствующие неоптимизированной ДН в плоскости линеек ВРС. После фазировки секциями 14 и 15 сигналы от соответствующих входов сумматора 7 и суммирующего устройства 13 поступают на выходы 1 и 2 направленного ответвителя 16, формируя на его входе (Аз) сигналы, соответствующие разностной ДН с пониженным уровнем боковых лепестков (оптимизированной) в плоскости расположения линеек ВРС.

Таким образом, технико-экономические преимущества предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключаются в реализации в пассивной ФАР с волноводной распределительной системой форм амплитудного распределения оптимальных, как по суммарному, так и по разностным каналам в двух главных плоскостях, что соответствует понижению уровня первых боковых лепестков разностной ДН в этих плоскостях.

Результаты практической реализации предложенного технического решения не вызывает сомнения, разработаны все основные элементы, входящие в ВРС, обеспечивающей реализацию заявляемых характеристик. Проведена предварительная компоновка ВРС, обеспечивающей заявляемые функции, конструкция при этом ориентирована на хорошо отработанные технологии - штамповку, пайку в солях и т.д.

Предлагаемая ФАР с оптимизированными характеристиками излучения позволяет уменьшить уровень первых боковых лепестков разностной ДН в двух главных плоскостях на 10÷15 дБ.

Фазированная антенная решетка, состоящая из 4К панелей излучателей, 4К блоков фазовращателей, волноводной распределительной системы (ВРС), состоящей из 4К линеек волноводной распределительной системы и главного распределителя в составе СВЧ-сумматора, имеющего четыре выхода и один суммарный и два разностных входа, четырех основных и четырех первых дополнительных линеек направленных ответвителей (НО), каждая из которых имеет 2К выходов, а также 4К согласованных нагрузок, 4К+2 фазирующих секций, суммирующего устройства и направленного ответвителя, причем N входов каждой из К панелей излучателей соединены с соответствующими N выходами каждого из К блоков фазовращателей, N входов каждого из которых присоединены к соответствующим N выходам каждой из К линеек волноводной распределительной системы, вход каждой из К линеек ВРС соединен с соответствующими К выходами основных линеек направленных ответвителей главного распределителя, вход каждой из четырех основных линеек НО соединен с соответствующим выходом СВЧ-сумматора, первый разностный вход которого через фазирующую секцию подключен к одному из выходов направленного ответвителя, второй выход которого соединен с входом фазирующей секции, выход которой подключен к соответствующему входу суммирующего устройства, в результате разностным входом, по которому формируется разностная диаграмма направленности фазированной антенной решетки в плоскости ориентации главного распределителя, является вход направленного ответвителя, при этом каждый из четырех выходов суммирующего устройства соединен с соответствующими входами первых дополнительных линеек НО, К выходов этих линеек, в которые направленно не ответвляется СВЧ-сигнал, соединены с К согласованными нагрузками, а другие К выходов первых дополнительных линеек НО соединены с К фазирующими секциями, выходы которых, в свою очередь, соединены с соответствующими К выходами основных линеек НО главного распределителя, отличающаяся тем, что в ВРС введены дополнительные 4К линеек ВРС, имеющих 2N выходов и N фазирующих секций каждая, и вторые четыре дополнительные линейки направленных ответвителей в состав главного распределителя, каждая из которых состоит из К направленных ответвителей и имеет 2К выходов, а также дополнительное суммирующее устройство и дополнительный направленный ответвитель, соединенные через две дополнительные фазирующие секции, причем второй разностный вход СВЧ-сумматора соединен с выходом первой дополнительной фазирующей секции, вход которой подключен к одному из выходов дополнительного направленного ответвителя, второй выход которого соединен с входом второй дополнительной фазирующей секции, а выход этой секции подключен к входу дополнительного суммирующего устройства, в результате разностным входом, по которому формируется разностная диаграмма направленности фазированной антенной решетки в плоскости расположения линеек ВРС, является вход дополнительного направленного ответвителя, при этом каждый из четырех выходов дополнительного суммирующего устройства соединен с соответствующими входами вторых дополнительных линеек направленных ответвителей, К выходов каждой из этих линеек, в которые не поступает СВЧ-сигнал, соединены с К согласованными нагрузками, а другие К выходов вторых дополнительных линеек направленных ответвителей подключены к К входам дополнительных линеек ВРС, причем выходы каждой из дополнительных линеек ВРС, в которые не поступает СВЧ-сигнал, соединены с N согласованными нагрузками, а другие N выходов дополнительных линеек ВРС подключены к N фазирующим секциям, выходы которых, в свою очередь, соединены с соответствующими N выходами основных линеек ВРС.