Активная пространственная передающая антенная решетка

Изобретение относится к антенной технике, в частности к активным пространственным антенным решеткам (АР). Технический результат заявленного изобретения заключается в создании активной антенной решетки, где требуемое фазовое распределение на элементах пространственной антенной решетки получают путем программируемого управления запуском оптических излучателей, размещенных на столбцах и строках антенной решетки, что позволяет осуществлять пространственное перемещение сфокусированного луча без механического качания антенной решетки, и передачи гиперскоростной (более 10 ГГц оп/с) информации. Активная пространственная передающая антенная решетка содержит задающий смеситель, распределитель служебных сигналов столбцов матрицы, распределитель служебных сигналов строк матрицы, N формирователей импульсов напряжения служебных сигналов столбцов матрицы, М формирователей импульсов напряжения служебных сигналов строк матрицы, n оптических излучателей и устройство управления. 1 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к активным пространственным передающим антенным решеткам (АР) оптического диапазона волн, и может быть использовано при создании антенн с немеханическим качанием луча антенны для гиперскоростной (более 10 ГГц бит/с) спутниковой радиолинии.

Из уровня техники известно, что по характеру распределения излучателей в раскрыве различают эквидистантные и неэквидистантные фазированные антенные решетки (ФАР). В эквидистантных ФАР обычно выбирают достаточно малыми размерами элементов. В неэквидистантных ФАР элементы располагают на неодинаковых расстояниях друг от друга при небольшом числе элементов. По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР с электрическим сканированием или дисперсиями волн в волноводе (см. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И. Антенны и устройства СВЧ. / Под ред. Д.И.Воскресенского. Учебник. - 2-е изд. - Москва: МАИ, 1993. - 528 с.).

Из уровня техники известны ФАР, схемы с фазировкой на промежуточной частоте и схемы с двойным преобразованием частоты (см. Бененсон и др., Антенные решетки, стр.184-187).

Недостатком таких схем является использование гетеродина с качающейся частотой и частотно-зависимые линии задержки, что не обеспечивает сложения фаз от строк и столбцов.

Из уровня техники известны различные схемы формирования необходимого фазового распределения в раскрыве ФАР: «Способ получения требуемого фазового распределения на элементах пространственной фазированной антенной решетки и пространственная ФАР (варианты)» (см. патент Российской Федерации на изобретение RU 2282921 С1, МПК H01Q 3/26, опубл. 27.08.2006), «Универсальная самофокусирующаяся активная пространственная приемопередающая антенная решетка обратного излучения» (см. патент Российской Федерации на изобретение RU 2334319 С1, МПК H01Q 3/26, H01Q 21/00, опубл. 20.09.2008), «Пространственная приемопередающая фазированная антенная решетка (варианты)» (см. патент Российской Федерации на изобретение RU 2287876 С1, МПК H01Q 3/26, опубл. 20.11.2006), «Активная пространственная приемопередающая антенная решетка обратного излучения» (см. патент Российской Федерации на изобретение RU 2312435 С1, МПК H01Q 21/00, опубл. 10.12.2007).

Недостатком всех вышеуказанных известных из уровня техники технических решений, которые практически охватывают все основные возможности формирования распределения фаз в антенных решетках, является необходимость использования фазовращателей различного типа.

Заявленное техническое устройство направлено на устранения указанного недостатка путем получения необходимого фазового распределения на элементах фазированной антенной решетки с помощью оптических излучателей, размещаемых в узлах матрицы антенной решетки, содержащей N столбцов и М строк, управление запусками которых осуществляется путем программируемого замедления их запуска, что требует использования нанотехнологий для выполнения следующих функций:

- применение нанотрубок и нанопроводов, (см. Л2, с.203), обеспечивает соединение между ПЛИС и элементов платы с минимальными потерями и наименьшими амплитудно-частотными фазовыми искажениями;

- применение одномодовых волокон позволяет при диаметрах 125 мкм разместить на раскрыве антенной решетки размером 20×20 см свыше 100 млн излучателей;

- применение оптических переключателей в оптоволоконных устройствах обеспечивает повышение быстродействия для переключения излучателей;

- применение устройств, разработанных на использовании квантовых эффектов в наномасштабной электронике, предназначенных для обработки и хранения огромных массивов целевой информации при скоростях более 10 Гбит/с;

- применение многослойных (до 40 слоев) плат, размером 25×25 см, на которых можно разместить более 2-х триллионов квантовых точек (фрагмент проводника или полупроводника, ограниченных по всем трем пространственным измерениям в области не более 10 нм и содержащих электроны проводимости) (см. Л2, с.175), запись и хранение информации плотностью записи 1 терабит на 1 квадратный дюйм, то есть в 40 раз больше, чем позволяют современные технологии; нанотранзисторы, способные работать с частотой 600 ГГц. Терагерцовый микропроцессор, содержащий в 25 раз больше транзисторов, может работать в 25 раз быстрее и потреблять меньше энергии, чем ЧИП Pentium 4 (см. Л2, с.198).

Технический результат заявленного изобретения заключается в создании активной антенной решетки, где требуемое фазовое распределение на элементах пространственной антенной решетки получают путем программируемого управления запуском оптических излучателей, размещенных на столбцах и строках антенной решетки, что позволяет осуществлять пространственное перемещение сфокусированного луча без механического качания антенной решетки, и передачи гиперскоростной (более 10 ГГц оп/с) информации.

Технический результат достигается совокупностью существенных признаков, а именно: активная пространственная передающая антенная решетка содержит n оптических излучателей, где n - целое число, больше 1, размещенных в узлах матрицы, содержащей N столбцов, где N - целое число, больше 1, и М строк, где М - целое число, больше 1, задающий смеситель, на который подаются сигналы служебных частот f и Δf, выходные сигналы служебных частот f1=f+Δf и f2=f-Δf задающего смесителя подаются на распределитель служебных сигналов столбцов матрицы и распределитель служебных сигналов строк матрицы, при этом выходы распределителя служебных сигналов столбцов матрицы соединены с первыми входами N формирователей импульсов напряжения служебных сигналов столбцов матрицы, вторые входы которых соединены соответственно с дополнительными выходами оптических излучателей первой строки матрицы, а выходы формирователей импульсов напряжения служебных сигналов столбцов матрицы соединены с первыми входами оптических излучателей соответствующих столбцов матрицы, при этом выходы распределителя служебных сигналов строк матрицы соединены с первыми входами М формирователей импульсов напряжения служебных сигналов строк матрицы, вторые входы которых соединены соответственно с дополнительными выходами оптических излучателей первого столбца матрицы, а выходы формирователей импульсов напряжения служебных сигналов строк матрицы соединены со вторыми входами оптических излучателей соответствующих строк матрицы, при этом третьи входы оптических излучателей матрицы объединены и являются передающим входом матрицы, а выходы оптических излучателей также объединены по столбцам и строкам матрицы суммирующей схемой служебного управляющего сигнала, выход которой является приемным выходом матрицы, при этом формирователи импульсов напряжения служебных сигналов столбцов матрицы и формирователи импульсов напряжения служебных сигналов строк матрицы для оптических излучателей выполнены с возможностью запуска оптических излучателей с задержкой служебного сигнала с помощью устройства управления.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема активной пространственной передающей антенной решетки.

Активная пространственная передающая антенная решетка (см. фиг.1) содержит:

1 - задающий смеситель;

2 - распределитель служебных сигналов столбцов матрицы;

3 - распределитель служебных сигналов строк матрицы;

4 - N формирователей импульсов напряжения служебных сигналов столбцов матрицы для запуска оптических излучателей, где N - целое число, больше 1;

5 - М формирователей импульсов напряжения служебных сигналов строк матрицы для запуска оптических излучателей, где М - целое число, больше 1;

6 - n оптических излучателей, где n - целое число, больше 1;

7 - устройство управления (компьютер).

Сигналы служебных частот строки f₁=f+Δf и столбца f₂=f-Δf получаются на задающем смесителе. Эти сигналы поступают на формирователи импульсов напряжения служебных сигналов столбцов и строк матрицы через распределитель служебных сигналов столбцов матрицы и распределитель служебных сигналов строк матрица соответственно. На другой вход задающего смесителя поступают сигналы частоты f, принимаемые элементами опорных линеек решетки. Требуемое фазовое распределение на элементах пространственной антенной решетки получают путем программируемого управления запуском оптических излучателей (их замедлением), размещенных на столбцах и строках антенной решетки с помощью устройства управления (компьютера) по заданной (определенной) программе. Световые потоки поступают на излучатели по нанопроводам, позволяющим передавать в одном, нанопроводе до 10⁶ каналов. Программное регулирование излучения с отдельных участков апертуры (или всей ее площади) позволяет формировать независимое многолучевое излучение антенной решетки без ее механического пространственного перемещения сфокусированных лучей. Информация от датчиков дистанционного зондирования Земли космического аппарата со скоростью до 10 Гбит/с может передаваться на наземные комплексы приема, регистрации и обработки данных путем модуляции тока излучателей.

Источники информации

1. У.Томас, Электронные системы связи, Москва, издательство Техносфера, 2007, 1360 ст., пер. с англ. (л.680).

2. Л.Уильямс, У.Адамс, Нанотехнологии, издательство ЭКСМО, Москва, 2009.

3. О.Г.Вендик, Антенны с немеханическим движением луча, Москва, 1965.

4. Д.И.Вознесенский, А.И.Канащенков, Активные фазированные решетки, Москва, группа URSS, 2004.

Активная пространственная передающая антенная решетка содержит n оптических излучателей, где n - целое число, больше 1, размещенных в узлах матрицы, содержащей N столбцов, где N - целое число, больше 1, и М строк, где М - целое число, больше 1, задающий смеситель, на который подаются сигналы служебных частот f и Δf, выходные сигналы служебных частот f₁=f+Δf и f₂=f-Δf задающего смесителя подаются на распределитель служебных сигналов столбцов матрицы и распределитель служебных сигналов строк матрицы, при этом выходы распределителя служебных сигналов столбцов матрицы соединены с первыми входами N формирователей импульсов напряжения служебных сигналов столбцов матрицы, вторые входы которых соединены соответственно с дополнительными выходами оптических излучателей первой строки матрицы, а выходы формирователей импульсов напряжения служебных сигналов столбцов матрицы соединены с первыми входами оптических излучателей соответствующих столбцов матрицы, при этом выходы распределителя служебных сигналов строк матрицы соединены с первыми входами М формирователей импульсов напряжения служебных сигналов строк матрицы, вторые входы которых соединены соответственно с дополнительными выходами оптических излучателей первого столбца матрицы, а выходы формирователей импульсов напряжения служебных сигналов строк матрицы соединены со вторыми входами оптических излучателей соответствующих строк матрицы, при этом третьи входы оптических излучателей матрицы объединены и являются передающим входом матрицы, а выходы оптических излучателей также объединены по столбцам и строкам матрицы суммирующей схемой служебного управляющего сигнала, выход которой является приемным выходом матрицы, при этом формирователи импульсов напряжения служебных сигналов столбцов матрицы и формирователи импульсов напряжения служебных сигналов строк матрицы для оптических излучателей выполнены с возможностью запуска оптических излучателей с задержкой служебного сигнала с помощью устройства управления.