Активная пространственная передающая антенная решетка

Изобретение относится к антенной технике, в частности к активным пространственным передающим антенным решеткам миллиметрового диапазона волн, и может быть использовано при создании антенн с немеханическим качанием луча антенны для сверхскоростной (более 15 Гбит/с) спутниковой информации. Техническим результат - обеспечение требуемого пространственного поляризационного распределения на элементах активной пространственной передающей решетке. Для этого требуемое пространственное поляризационное распределение на элементах активной пространственной передающей антенной решетки получают путем программируемого управления запуском (включениями) поляризационных преобразователей, размещенных на столбцах и строках матрицы антенной решетки, что позволяет осуществлять пространственное переключение N-уровней поляризации сформированного потока электромагнитных волн ФАР, обеспечивающее при совместном использовании многократных фазоманипулированных сигналов передачу сверхскоростной (более 15 Гбит/с) спутниковой информации от КА до наземных приемных комплексов дистанционного зондирования Земли. Активная пространственная передающая антенная решетка содержит: задающий смеситель, распределитель служебных сигналов столбцов матрицы, распределитель служебных сигналов строк матрицы, К формирователей импульсов напряжения служебных сигналов столбцов матрицы для включения поляризационных преобразователей, L формирователей импульсов напряжения служебных сигналов строк матрицы для включения поляризационных преобразователей, n поляризационных преобразователей, суммирующая схема служебного управляющего сигнала. 1 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к активным пространственным передающим антенным решеткам миллиметрового диапазона волн, и может быть использовано при создании антенн с немеханическим качанием луча антенны для сверхскоростной (более 15 Гбит/с) спутниковой информации.

Из уровня техники известно, что имеются устройства, использующие фазовую модуляцию сигнала (ФМ), фазоманипулированные сигналы (ФМн), многократно фазоманипулированные сигналы (МФМн), где М=2N [Л1].

Из уровня техники известно, что по характеру распределения излучателей в раскрыве различают эквидистантные и неэквидистантные фазированные решетки (ФАР). В эквидистантных ФАР обычно выбирают достаточно малые размеры 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.

Из уровня техники известны ФАР, схемы с фазировкой на промежуточной частоте и схемы с двойным преобразованием частоты [Л5].

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

Из уровня техники известны различные схемы сформирования 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 самофокусирующая 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 охватывают все основные возможности формирования фаз в антенных решетках, является необходимость использования фазовращателей различного типа, что позволяет их применять в фазированных решетках с излучателями, подключаемым к одномодовым оптическим волокнам.

Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение требуемого пространственного поляризационного распределения на элементах активной пространственной передающей антенной решетки путем программируемого управления запуском (включением) поляризационных преобразователей, размещенных на столбцах и строках матрицы антенной решетки, что позволяет осуществлять пространственное переключение N-уровней поляризации сформированного потока электромагнитных волн ФАР, обеспечивающее при совместном использовании многократных фазоманипулированных сигналов передачу сверхскоростной (более 15 Гбит/с) спутниковой информации от КА до наземных приемных комплексов дистанционного зондирования Земли.

Математические преобразования, касающиеся описания поляризации векторов электромагнитного поля (через уравнения Максвелла, операторы ротора, дивергенции, формул Стокса, теоремы Грина и т.д.), наиболее полно показаны в [Л3]. Однако в ней не рассмотрена схема модуляции поляризации.

Из теории радиотехники [Л1] известно, что поляризация электромагнитного поля (ЭМП) образуется в антенно-фидерных устройствах (АФУ) антенн следующим образом.

ЭМП образуется из двух векторов и , которые перпендикулярны друг другу, а также перпендикулярны направлению излучения. Вектора и жестко связаны между собой через волновые соотношения. Изменяя, например параметры вектора , одновременно изменяются параметры вектора . Вращение вектора может быть обеспечено путем установки в узлах матрицы антенной решетки поляризационных преобразователей, которые управляются уровнем напряжения, регулируемым с помощью устройства управления.

Признаки и сущность изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежом (см. фиг.1), где представлена структурная электрическая схема активной пространственной передающей антенной решетки.

Активная пространственная передающая антенная решетка содержит:

1 - задающий смеситель;

2 - распределитель служебных сигналов столбцов матрицы;

3 - распределитель служебных сигналов строк матрицы;

4 - К формирователей импульсов напряжения служебных сигналов столбцов матрицы для включения поляризационных преобразователей;

5 - L формирователей импульсов напряжения служебных сигналов строк матрицы для включения поляризационных преобразователей;

6 - n поляризационных преобразователей;

7 - суммирующая схема служебного управляющего сигнала.

Активная пространственная передающая антенная решетка работает следующим образом.

Сигналы служебных частот строки матрицы f1=f+Δf столбца матрицы f2=f-Δf получаются на задающем смесителе. Эти сигналы поступают на формирователи импульсов напряжения служебных сигналов столбцов и строк матрицы соответственно через распределители служебных сигналов столбцов и строк матрицы соответственно. На другой вход задающего смесителя поступают сигналы частоты F, принимаемые элементами опорных линеек решетки. Требуемое пространственное поляризационное распределение на элементах активной пространственной передающей антенной решетки получают путем программируемого управления запуском (включением) поляризационных преобразователей, размещенных на столбцах и строках матрицы антенной решетки, с помощью устройства управления, что позволяет осуществлять пространственное переключение N-уровней поляризации сформированного потока электромагнитных волн ФАР, обеспечивающее при совместном использовании многократных фазоманипулированных сигналов передачу сверхскоростной (более 15 Гбит/с) спутниковой информации от КА до наземных приемных комплексов дистанционного зондирования Земли.

В [Л.4] рассмотрены различные виды поляризационной модуляции. В ней отмечено, что проблема управления параметрами поляризации волн, анализ способов передачи сообщений поляризационно-модулированными сигналами, а также вопросы синтеза и анализа приемных систем таких сигналов еще мало изучены. Однако в данной работе совершенно не рассмотрены какие-либо виды поляризационной манипуляции, когда M=2N уровней.

Из уровня техники известно, что векторы поляризации и в различной комбинации применяются для получения дополнительной информации о качестве объекта при радиолокации, но не для повышения скорости передачи данных. Из уровня техники известно, что в американских космических аппаратах «World View» для повышения в два раза скорости передачи используется метод, когда по двум каналам передается информация с использованием правой и левой поляризации. Но во всех перечисленных выше способах не используется N-уровневая поляризация в качестве способа многоуровневой манипуляции поляризации.

При двукратной фазовой манипуляции в Х-диапазоне скорость передачи данных равна 245 Мбит/с, а при трехкратной фазовой манипуляции скорость передачи равна 800 Мбит/с (при одной и той же полосе пропускания). В настоящее время применяется многократная фазовая манипуляция до 128 ФМ.

При многоуровневой поляризации, где Мн=2N - скорость передаваемой информации может быть увеличена в Мн раз.

Формирование сфокусированного луча антенной решетки для передачи многократных фазоманипулированных по фазе электромагнитных излучений активной решетки осуществляется одновременно с многократной поляризационной манипуляцией сигналов для передачи информации с использованием ФАР.

Переключение поляризационных преобразователей обеспечивается:

- применением оптических переключателей в оптоволоконных устройствах, обеспечивающих требуемое быстродействие для переключения поляризационных преобразователей [Л2];

- применением устройств, разработанных на использование квантовых эффектов в наномасштабной электронике, предназначенной для обработки и хранения массивов информации при скоростях более 10 Гбит/с [Л2];

- применение многослойных (до 40 слоев) плат, размеров 25×25 см, на которых можно разместить более 2-х триллионов квантовых точек (фрагмент проводника или полупроводника, ограниченный по трем пространственным измерениям в области не более 10 нм и содержащий электроны проводимости) [Л2], запись и хранение информации плотностью записи 1 Терабит на 1 квадратный дюйм, т.е. в 40 раз больше, чем позволяют современные технологии, нанотранзисторы, способные работать с частотой десятков ТГц. Терагерцовый микропроцессор может работать в 25 раз быстрее и потреблять меньше энергии, чем ЧИП Pentium 4.

Источники информации

1. У.Томас. Электронные системы связи. Москва, издательство Техносфера, 2007, пер. с англ. 1360 с.

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

3. М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики, гл. редакция Физматиздат, М., 1970, 855 с.

4. Ю.Г.Гусев, А.Д.Филатов, А.П.Сополев. Поляризационная модуляция, М., Изд. Сов.Радио, 1974, 288 с.

5. Д.И.Вознесенский и др. Активные фазированные решетки, Москва, Группа USSR, 2004.

Активная пространственная передающая антенная решетка содержит n-поляризационных преобразователей, где n - целое число больше 1, размещенных в узлах матрицы, содержащей К столбцов и L строк, где К и L - 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 соответственно на распределитель служебных сигналов столбцов матрицы и распределитель служебных сигналов строк матрицы, при этом выходы распределителя служебных сигналов столбцов матрицы соединены с первыми входами К формирователей импульсов напряжения служебных сигналов столбцов матрицы, вторые входы которых соединены соответственно с дополнительными выходами поляризационных преобразователей первой строки матрицы, а выходы формирователей импульсов напряжения служебных сигналов столбцов матрицы соединены с первыми входами поляризационных преобразователей соответствующих столбцов матрицы, при этом выходы распределителя служебных сигналов строк матрицы соединены с первыми входами К формирователей импульсов напряжения служебных сигналов строк матрицы, вторые входы которых соединены соответственно с дополнительными выходами поляризационных преобразователей первого столбца матрицы, а выходы формирователей импульсов напряжения служебных сигналов строк матрицы соединены со вторыми входами поляризационных преобразователей соответствующих строк матрицы, при этом третьи входы поляризационных преобразователей матрицы объединены и являются передающим входом матрицы, а выходы поляризационных преобразователей 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 служебных сигналов строк матрицы для поляризационных преобразователей выполнены аналогично и с возможностью включения поляризационных преобразователей с задержкой служебного сигнала с помощью устройства управления.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для оптимального управления комплексными взвешивающими устройствами в каналах антенных решеток по критерию максимума отношения сигнал/шум + помеха.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах связи при приеме широкополосных сигналов в условиях воздействия широкополосных помех.

Изобретение относится к антенному устройству и системе беспроводной связи. .

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для решения задачи формирования провала в диаграммах направленности (ДН) плоских фазированных антенных решеток (ФАР) путем изменения лишь фаз возбуждений ее элементов.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для оптимального управления комплексными взвешивающими устройствами в каналах моноимпульсных антенных решеток (MAP).

Изобретение относится к радиолокации, в частности к активной фазированной антенной решетке (АФАР), управляемой как по направлению излучения и приема, так и по параметрам зондирующего сигнала, работающей в составе импульсно-доплеровской бортовой радиолокационной станции (БРЛС).

Изобретение относится к области способов управления формированием требуемых характеристик амплитудно-фазового распределения поля (АФР) в раскрыве адаптивной антенной решетки (ААР).

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для решения задачи подавления бокового излучения диаграмм направленности (ДН) линейных фазированных антенных решеток путем изменения лишь фаз возбуждений элементов ФАР.

Изобретение относится к области самофазирующихся антенных решеток для ретрансляторов связи. .

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для управления комплексными взвешивающими устройствами в каналах антенных решеток по критерию максимума заданного энергетического функционала

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для пространственного подавления помех путем формирования провалов («нулей») в диаграммах направленности фазированных антенных решеток (ФАР) в направлениях источников помех. Технический результат - повышение оперативности управления решеткой за счет возможности подавления лепестков высокого уровня. Для этого способ основан на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, с помощью весовых коэффициентов, весовые коэффициенты находят как вектор, минимизирующий функционал ошибки, при определении которого используют информацию о направлении на источник сигнала и о распределении источников помех, в качестве максимизируемого функционала выбирают отношение мощности сигнала, принимаемого с заданного направления, к сумме мощностей шумов и помех, принимаемых антенной, а в качестве оптимального вектора весовых коэффициентов выбирают вектор, минимизирующий функционал ошибки. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к фазированным (ФАР) и активным фазированным антенным решеткам (АФАР), состоящим из приемных каналов, выходные сигналы которых оцифровываются с помощью аналогово-цифровых преобразователей и обрабатываются в процессорах бортовых цифровых вычислительных машин радиолокационных станций, головок самонаведения или систем радиопротиводействия. Техническим результатом является обеспечение углового сверхразрешения, мерой которого является ширина «сжатой» диаграммы направленности антенны (ДНАСЖ); уменьшение шумовой ошибки измерения угловых координат; и уменьшение времени обзора заданного сектора пространства за счет расширения диаграммы направленности антенны (ДНА). Это достигается за счет дополнительной обработки кодов цифровых выходных сигналов приемных каналов цифровой ФАР (АФАР) и формирования «сжатой» ДНАСЖ параллельно с обычной (несжатой) ДНА и совместной их обработки, а также формирования расширенной диаграммы направленности ФАР (АФАР). 7 ил.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат - повышение предела подавления помеховой импульсной мощности в узкополосных приемно-передающих каналах радиотехнических систем, работающих в диапазоне СВЧ, в условиях короткоимпульсных помеховых воздействий большой мощности при проведении испытаний на электромагнитную совместимость. Устройство защиты узкополосных приемно-передающих каналов радиотехнических систем, содержащее основную и дополнительную антенны, соединенные вычитающим элементом, содержит еще N≥1 пару из основной и дополнительной антенн и N≥1 вычитающий элемент, а также (N+1) узкополосных фильтров, которые образуют (N+1) взаимно ортогональных идентичных плеча устройства, состоящих каждое из одной пары основной и дополнительной антенн и последовательно включенных вычитающего элемента и узкополосного фильтра, при этом все антенны выполнены резонансными и идентичны друг другу, антенны попарно - основная и дополнительная - связаны с вычитающим элементом и фильтром, выполненными в виде объединенных отрезков экранированного волновода, в котором установлен режим бегущей волны, связь основной и дополнительной антенн с соответствующим волноводным вычитающим элементом в каждом плече осуществляется таким образом, чтобы синфазные сигналы с этих антенн возбуждали в волноводе противофазные поперечные пучности волноводного распределения электромагнитного поля. 3 ил.

Изобретение относится к радиолокации, а именно к широкополосным антенным системам, рабочий диапазон частот которых перекрывает несколько октав. Технический результат - расширение диапазона рабочих частот комбинированной антенной системы, работающей в активном и пассивном режимах. Широкополосная антенная система содержит комбинированную моноимпульсную антенну Кассегрена с возбуждением от фазированной антенной решетки, работающую в высокочастотном диапазоне, в которую вводится кольцевая антенная решетка из K логопериодических вибраторных антенн и широкополосный приемник, при этом логопериодические вибраторные антенны расположены между параболическим цилиндром и плоскостью, ортогональной продольной оси антенны и проходящей через ось вращения твист-рефлектора, ориентированы параллельно оси антенной системы в направлении полета летательного аппарата и находятся в плоскости, касательной к образующей цилиндра, ограничивающего поперечные размеры антенной системы, элементы логопериодических вибраторных антенн выполнены в виде полосковых проводников, расположенных с двух сторон плоской диэлектрической платы. 3 ил.

Изобретение относится к радиолокации, точнее к фазированным антенным решеткам (ФАР) СВЧ диапазона, и может быть использовано в пассивной и активной радиолокации для осуществления непрерывного параллельного контроля пространства. Технический результат - возможность формирования одновременно существующего веера (пучка) остронаправленных лучей, покрывающих весь контролируемый телесный угол как одномерной (линейной), так и двумерной антенной решеткой. Для этого многолучевая СВЧ линейная антенная решетка включает N приемопередающих модулей, каждый из которых имеет антенный элемент, усилитель с СВЧ переключателями, делитель СВЧ и диаграммообразующее устройство. Двумерная антенная решетка содержит P линейных многолучевых СВЧ антенных решеток. Каждая линейная решетка является строкой, при этом на каждой M плате элементарных сумматоров дополнительно выполнен делитель СВЧ на K каналов, подключенный к выходу монолитного усилителя. Выходы каналов делителей каждой платы в каждой строке сдвинуты на шаг, равный L/M, где L - длина платы. Выходы строки соединены вертикальными столбцами, являющимися диаграммообразующими устройствами. Общее число выходов плат слолбцов в режиме приема равно M×K, причем каждый выход соответствует своему лучу в пространстве. В режиме передачи выходы К плат М столбцов преобразуются во входы каналов (лучей), излучаемых АФАР. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к полосковой СВЧ антенной технике, в частности к распределительной системе для фазированной антенной решетки. Технический результат - формирование оптимальных амплитудных распределений для суммарной и разностной диаграмм направленности (ДН), возможность реализации в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн. Для этого распределительная система для ФАР состоит из двух основных и двух дополнительных линейных делителей мощности с последовательной схемой деления, выполненных на направленных ответвителях, объединенных между собой фазирующими секциями. Входы линейных делителей мощности соединены с выходами суммарно-разностной схемы, имеющей один суммарный и один разностный входы. Выходы распределительной системы выполнены в виде коаксиально-полосковых переходов, к части выходов направленных ответвителей дополнительных линейных делителей мощности присоединены согласованные нагрузки, в качестве которых применены полосковые корпусные СВЧ-резисторы. Распределительная система конструктивно выполнена в виде слоистой структуры, содержащей подложку с нанесенным на нее рисунком центральных проводников симметричной полосковой линии, установленной между слоями диэлектрика. Слои металла представляют собой экраны симметричной полосковой линии, на которых закреплены выходные коаксиально-полосковые переходы. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Использование: для формирования компенсационной диаграммы направленности в плоской антенной решетке. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют прием сигналов антенными элементами плоской антенной решетки с электронным сканированием лучом и суммируют их, формируя остронаправленную сканирующую диаграмму направленности плоской антенной решетки с использованием выбранных комплексных амплитуд антенных элементов с учетом требуемого превышения уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности. Формирование слабонаправленной диаграммы направленности производят путем суммирования сигналов антенных элементов, расположенных в центральных ортогональных линейках плоской антенной решетки, с комплексными амплитудами, соответствующими комплексным амплитудам антенных элементов плоской антенной решетки в направлении на источник полезного сигнала. Для формирования компенсационной диаграммы направленности вычитают сигнал, соответствующий остронаправленной сканирующей диаграмме направленности, из сигнала, соответствующего слабонаправленной диаграмме направленности, умноженной на весовой коэффициент, равный отношению норм остронаправленной сканирующей и слабонаправленной диаграмм направленности при ориентации луча плоской антенной решетки в направлении нормали к плоскости раскрыва. Технический результат: обеспечение требуемого превышения уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности плоской антенной решетки в широком секторе углов при сохранении чувствительности приемной системы. 12 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к средствам приема и передачи радиоволн. Приемо-передающий модуль активной фазированной антенной решетки содержит передающий и приемный каналы, первое, второе и третье направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей, защитное устройство, выпрямитель, согласованную нагрузку, обратноходовой преобразователь. Вход падающей мощности первого направленного устройства соединен с выходом передающего канала, а выход отраженной мощности соединен с входом падающей мощности второго направленного устройства, которое через защитное устройство соединено с входом приемного канала. Выход отраженной мощности второго направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей подключен к входу падающей мощности третьего направленного устройства, подключенному к выпрямителю, нагруженному на вход обратноходового преобразователя, выход которого подключен к цепи питания передающего канала. Выход отраженной мощности третьего направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей подключен к согласованной нагрузке. Технический результат - повышение КПД антенной решетки. 2 ил.

Изобретение относится к антенной технике. Техническим результатом является формирование провалов в диаграммах направленности (ДН) плоских фазированных антенных решеток (ФАР) в нескольких заданных направлениях, имеющих угловые координаты в сферической системе кординат. Способ формирования провалов в ДН плоской ФАР состоит в оценке уровня исходной диаграммы направленности N-элементной ФАР, выделении в раскрыве двух M-элементных подрешеток и введении фазовых поправок, со знаком минус для элементов одной подрешетки и со знаком плюс для элементов другой подрешетки. Для формирования провалов в ДН плоской ФАР в нескольких заданных направлениях оценку уровня исходной диаграммы направленности N-элементной ФАР осуществляют в К заданных направлениях, которые задают двумя угловыми координатами θнапр i и φнапр I, выбирают К эквивалентных линейных раскрывов, углы которых равны значениям координат К направлений φнапр i, вычисляют возбуждение этих раскрывов, после выделения в каждом эквивалентном линейном раскрыве двух M-элементных подрешеток, расположенных на его краях, величины их фазовых поправок выбирают равными по абсолютному значению из условия заданных глубины, ширины и координаты θнапр i провала. Фазовые поправки, вычисленные для формирования провалов, вносят на элементы ФАР, образующие данный эквивалентный линейный раскрыв, при условии что M-элементные подрешетки К эквивалентных линейных раскрывов формируются несовпадающими элементами ФАР, где θнапр i и φнапр i - заданные направления в сферической системе координат, a θнапр i отсчитывается от нормали к плоскости раскрыва ФАР; i - порядковый номер заданного направления, i=1…К; К - количество заданных направлений. 22 ил.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к активным пространственным передающим антенным решеткам миллиметрового диапазона волн, и может быть использовано при создании антенн с немеханическим качанием луча антенны для сверхскоростной спутниковой информации

Наверх