Двумерная моноимпульсная фар с электронным управлением лучом

Изобретение относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в СВЧ-антенной технике в составе радиолокационных систем и комплексов. Технический результат состоит в расширении мгновенной полосы, увеличении разрешающей способности и возможности одновременного формирования до 8+2·2ⁿ (где n=1, 2, 3…) независимо управляемых лучей. Для этого двумерная моноимпульсная ФАР с электронным управлением лучом содержит панели излучателей, блоки фазовращателей и волноводную распределительную систему, состоящую из строчно-столбцовых делителей, каждый из которых разветвляет СВЧ-энергию в одном из квадрантов апертуры, а также СВЧ-сумматора, обеспечивающего формирование суммарно-разностных ДН, при этом каждый квадрант апертуры ФАР разбит на 4 части и в каждой этой части в ВРС выполнены распределитель-столбец и распределители-строки, обеспечивающие запитку отдельных излучающих элементов апертуры своей части без нарушения регулярности структуры всей ФАР. Для формирования нескольких независимо управляемых ДН каждый квадрант апертуры дополнительно разбит на 2ⁿ частей, причем распределители-столбцы в каждом квадранте в соседних частях объединены в пары, запитываемые вновь вводимыми балансными мостами и формирующие совместно с распределителями-строками в раскрыве ФАР подрешетки, количеством, равным числу пар, при этом каждый вновь вводимый балансный мост, запитывающий пару распределителей-столбцов, по одному из входов через суммирующее устройство, объединяющих аналогичные входы балансных мостов в каждом квадранте, соединен с СВЧ-сумматором, а по другому входу формирует независимый вход каждой подрешетки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в СВЧ антенной технике в составе радиолокационных систем и комплексов.

Известна антенная система, содержащая двумерную моноимпульсную фазированную решетку, у которой волноводный распределитель выполнен из М линейных распределителей 1-го типа и четырех линейных распределителей второго типа, содержащих волноводные направленные ответвители, объединенные общими магистральными волноводами, при этом М линейных распределителей 1-го типа сгруппированы по четвертям и построчно заполняют весь раскрыв, а четыре линейных распределителя второго типа расположены ортогонально М линейным распределителям первого типа и запитывают каждым из своих волноводных выходов магистральные волноводы линейных распределителей первого типа [RU 2256263C1, H01Q 3/28, опубл. 10.07.2005].

Недостатками указанной фазированной антенной решетки являются невозможность формирования многих лучей на прием и передачу, малая мгновенная полоса пропускания и невысокая разрешающая способность, определяемая отсутствием возможности работы антенны в режимах интерферометра и цифрового диаграммообразования «на прием».

Известна бортовая антенна с электронным управлением лучом с волноводной распределительной системой [Волноводная распределительная система бортовой антенны с электронным управлением лучом. Авт. А.И. Синани, Р.Д. Позднякова, В.А. Митин, журнал "Антенны", вып.6 (61), 2002 г.], в которой волноводная распределительная система (ВРС) по существу является диаграммообразующей структурой ФАР, обеспечивающей суммарно-разностную обработку сигналов. В этом варианте антенны ВРС состоит из четырех строчно-столбцовых делителей, каждый из которых разветвляет СВЧ-энергию в одном из квадрантов апертуры, для чего используется один распределитель - "столбец" и n линеек "строк", а также СВЧ-сумматор, обеспечивающий формирование суммарно-разностных диаграмм направленности (ДН).

Недостатками этого технического решения являются малая разрешающая способность, невозможность формирования многих лучей на прием и передачу и малая мгновенная полоса пропускания.

Известен фазовый способ управления режимами работы ФАР, основанный на распределении СВЧ-сигналов по квадрантам апертуры с последующим разведением их, используя распределительную систему, по отдельным излучающим элементам в режиме передачи, а в режиме приема отраженных сигналов - суммировании их в отдельных квадрантах с последующей подачей результирующих сигналов от квадрантов на СВЧ-сумматор, при этом на входе каждого квадранта в режиме передачи сигналы разделяются на две части в балансном мосте с возможностью изменения фазы в одной из частей на 180° при обеспечении заданного фазового распределения в апертуре ФАР, причем в режиме приема просуммированные в распределительной системе сигналы от апертуры поступают на то или иное балансное плечо моста в зависимости от того, изменена или не изменена на 180° фаза в части квадранта [RU №2475903 C1, H01Q 21/00, опубл. 20.02.2013 г.].

Недостатком приводимого способа является то, что предлагаемое решение обеспечивает «независимую» работу квадрантов, а не многих частей (подрешеток) апертуры.

Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является двумерная моноимпульсная ФАР с электронным управлением лучом, содержащая панели излучателей, блоки фазовращателей и волноводную распределительную систему (ВРС), состоящую из строчно-столбцовых делителей, каждый из которых разветвляет СВЧ-энергию в одном из квадрантов апертуры, а также СВЧ-сумматора, запитывающего эти делители и обеспечивающего формирование суммарно-разностных диаграмм направленности (ДН). Каждый квадрант апертуры ФАР разбит на четыре части и в каждой этой части в ВРС выполнены один распределитель-столбец и распределители-строки, обеспечивающие запитку элементов раскрыва своей части без нарушения регулярности структуры всей ФАР, причем запитка четырех распределителей-столбцов в каждом квадранте осуществлена через управляемые линии задержки отдельным суммирующим устройством, выполненным из трех балансных восьмиполюсников, соединенных таким образом, что при подаче сигнала от СВЧ-сумматора на входы суммирующих устройств происходит распределение его между четырьмя распределителями-столбцами во всех частях в квадрантах апертуры, при этом три выхода-входа суммирующих устройств в каждом квадранте снабжены переключателями, обеспечивающими подключение согласованных нагрузок и переключение режимов работы [RU 113425U1, H01Q 25/00, опубл. 10.02.2012 г.].

Недостатками приведенного технического решения являются трудности в реализации режимов цифрового диаграммообразования «на прием».

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что двумерная моноимпульсная ФАР с электронным управлением лучом содержит панели излучателей, блоки фазовращателей и волноводную распределительную систему, состоящую из строчно-столбцовых делителей, каждый из которых разветвляет СВЧ-энергию в одном из квадрантов апертуры, а также СВЧ-сумматора, обеспечивающего формирование суммарно-разностных ДН, при этом каждый квадрант апертуры ФАР разбит на 4 части и в каждой этой части в ВРС выполнены распределитель-столбец и распределители-строки, обеспечивающие запитку отдельных излучающих элементов апертуры своей части без нарушения регулярности структуры всей ФАР

Новыми признаками заявленного технического решения является то, что каждый квадрант апертуры дополнительно разбит на 2ⁿ частей, где n=1, 2, 3…, причем распределители-столбцы в каждом квадранте в соседних частях объединены в пары, запитываемые вновь вводимыми балансными мостами и формирующие совместно с распределителями-строками в раскрыве ФАР подрешетки, количеством, равным числу пар, при этом каждый вновь вводимый балансный мост, запитывающий пару распределителей-столбцов, по одному из входов через суммирующее устройство, объединяющих аналогичные входы балансных мостов в каждом квадранте, соединен с СВЧ-сумматором, а по другому входу формирует независимый вход каждой подрешетки. При этом каждое суммирующее устройство выполнено из 2^k-1, где к=2, 3, 4, балансных восьмиполюсников, включенных по параллельной схеме по одному из входов, при этом по другому входу в каждом балансном восьмиполюснике образован независимый вход части квадранта, объединяющей несколько подрешеток.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение мгновенной полосы частот за счет частичной замены последовательной схемы распределительной системы на параллельную, повышение разрешающей способности ФАР за счет обеспечения возможности работы ФАР в независимом режиме с отдельными ее частями как «на прием», так и на передачу, а также дает возможность формирования нескольких независимо управляемых ДН (одновременно до 8+2·2ⁿ, где n=1, 2, 3…).

Наличие таких возможностей позволяет реализовать режим цифрого диаграммообразования «на прием», т.е. работу в составе одной антенны нескольких независимых антенн меньшего размера с разнесенными фазовыми центрами.

Это достигнуто за счет создания в каждом квадранте пар распределителей-столбцов, объединенных балансным мостом и формирующих совместно с распределителями строками в раскрыве ФАР 8+2·2ⁿ, где n=1, 2, 3… подрешеток, и введения в каждом квадранте дополнительных балансных мостов, которые обеспечивают как запитку пар распределителей в квадрантах, так и создание независимых входов-выходов отдельных квадрантов и подрешеток апертуры, развязанных с другими аналогичными подрешетками.

На фиг.1 приведен пример функциональной схемы двумерной моноимпульсной ФАР с электронным управлением лучом, состоящей из 16 подрешеток.

Двумерная моноимпульсная ФАР с электронным управлением лучом состоит из волноводной распределительной системы, в свою очередь состоящей из СВЧ-сумматора 1, суммирующих устройств 2, балансных мостов 3, объединяющих пары, распределителей-столбцов 4, распределителей-строк 5, а также блоков фазовращателей 6, панелей излучателей 7, переключателей 8 и согласованных нагрузок 9.

Панели излучателей 7 поканально соединены с выходными каналами блоков фазовращателей 6, которые в каждой части квадрантов апертуры поканально соединены с выходными каналами распределителей-строк 5. В свою очередь, входные каналы распределителей-строк 5 соединены с соответствующими выходными каналами распределителей-стролбцов 4 в своей части квадранта апертуры, при этом входные каналы распределителей-столбцов 4 в каждом квадранте соединены с выходными каналами балансных мостов 3, объединяющих пары распределителей-столбцов 4, при этом входы этих мостов соединены с выходами суммирующих устройств 2 в каждом квадранте, а входы систем балансных мостов 2 в каждом квадранте апертуры соединены с выходами СВЧ-сумматора 1. Входы суммирующих устройств 2 и входы балансных мостов 3, объединяющих пары распределителей-столбцов 4, в которые направленно не ответвляется СВЧ-энергия при работе ФАР от СВЧ-сумматора 1, соединены с переключателями 8, при этом одно из плеч каждого переключателя 8 соединено с согласованной нагрузкой 9 (при работе антенны от СВЧ-сумматора), а другое формирует вход подрешетки ФАР, части квадранта или квадранта в целом, при независимой работе этих фрагментов ФАР.

Предлагаемая двумерная моноимпульсная ФАР с электронным управлением лучом работает следующим образом. При подаче СВЧ-сигнала на суммарный вход СВЧ-сумматора 1 происходит распределение его через элементы сумматора к суммирующим устройствам 2 и далее через балансные мосты 3, объединяющие пары распределителей-столбцов 4, распределители-столбцы 4 и распределители-строки 5 по входным каналам блоков фазовращателей 6 и далее по каналам панелей излучателей 7 в каждой части квадрантов апертуры ФАР. При этом определенный выбор величин переходных ослаблений отдельных каналов распределителей-столбцов 4 и распределителей-строк 5 обеспечивает формирование заданного амплитудного распределения, а электрически управляемые блоки фазовращателей 6 обеспечат формирование заданных фазовых распределений и управление им в апертуре ФАР. В этом варианте возможно как формирование суммарно-разностных характеристик при работе с полной апертурой ФАР, так и реализация режима цифрового диаграммообразования «на прием», при этом необходимо изменять на 180° фазу в одной из двух частей каждой подрешетки в режиме «на прием», а переключатели 8 обеспечивают подключение согласованных нагрузок 9 и переключение режимов работы.

При подаче СВЧ-сигнала на один из независимых входов «Bx.¼», «Bx.⅛», «Bx.¹/₁₆» развязанных с другими частями антенны, происходит аналогичное описанному выше распределение сигнала по излучателям апертуры, но только в тех частях квадранта или в целом квадранте, с которым и связан конкретный вход. При этом возможны как реализация режима интерферометра, т.е. независимой работы фрагментов апертуры с разнесенными фазовыми центрами с последующей обработкой сигналов от фрагментов, что в результате увеличивает разрешающую способность станции, так и формирование независимо управляемых лучей от квадрантов антенны и их частей, а в режиме «на прием» и реализация режима цифрового диаграммообразования.

Таким образом, технико-экономические преимущества предложенного технического решения по сравнению с прототипом заключаются в расширении мгновенной полосы, увеличении разрешающей способности ФАР при реализации режимов интерферометра или цифрового диаграммообразования, а также в возможности формирования одновременно до 8+2·2ⁿ независимо управляемых лучей.

Реализация предлагаемого технического решения не вызывает сомнения, разработаны, изготовлены и прошли испытания основные фрагменты распределительной системы: СВЧ-сумматор с системами балансных мостов, распределитель-столбец и распределитель-строка. Испытания подтвердили возможность достижения заявляемого технического эффекта.

Предлагаемая двумерная моноимпульсная ФАР с электронным управлением лучом позволяет:

1. Обеспечить расширение мгновенной полосы за счет применения более разветвленной, параллельной схемы распределения СВЧ-сигнала.

2. Увеличить разрешающую способность станции за счет обеспечения возможности независимой работы отдельных фрагментов антенны с разнесенными фазовыми центрами.

3. Обеспечить возможность цифрового диаграммообразования в режиме «на прием».

4. Формировать одновременно до 8+2·2ⁿ независимо управляемых лучей.

1. Двумерная моноимпульсная ФАР с электронным управлением лучом, содержащая панели излучателей, блоки фазовращателей и волноводную распределительную систему (ВРС), состоящую из строчно-столбцовых делителей, каждый из которых разветвляет СВЧ-энергию в одном из квадрантов апертуры, а также СВЧ-сумматора, записывающего эти делители и обеспечивающего формирование суммарно-разностных диаграмм направленности (ДН), при этом каждый квадрант апертуры ФАР разбит на 4 части и в каждой этой части в ВРС выполнены один распределитель-столбец и распределители-строки, обеспечивающие запитку элементов раскрыва своей части без нарушения регулярности структуры всей ФАР, при этом запитка распределителей-столбцов в каждом квадранте осуществлена отдельным суммирующим устройством, выполненном из балансных восьмиполюсников, соединенных таким образом, что при подаче сигнала от СВЧ-сумматора на входы суммирующих устройств происходит распределение его между распределителями-столбцами во всех частях в квадрантах апертуры, при этом выходы-входы суммирующих устройств в каждом квадранте снабжены переключателями, обеспечивающими подключение согласованных нагрузок и переключение режимов работы, отличающаяся тем, что каждый квадрант апертуры дополнительно разбит на 2ⁿ частей, где n=1, 2, 3, …, при этом распределители-столбцы в каждом квадранте в соседних частях объединены в пары, запитываемые дополнительными балансными мостами и формирующие совместно с распределителями-строками в раскрыве ФАР подрешетки, количеством, равным числу пар, при этом каждый дополнительный балансный мост, запитывающий подрешетку, по одному из входов через суммирующие устройства, объединяющие аналогичные входы дополнительных балансных мостов в каждом квадранте, соединен с СВЧ-сумматором, а по другому входу формирует независимый вход подрешетки.

2. Двумерная моноимпульсная ФАР с электронным управлением лучом по п.1, отличающаяся тем, что каждое суммирующее устройство выполнено из 2^к-1, где к=2, 3, 4, балансных восьмиполюсников, включенных по параллельной схеме по одному из входов, при этом по другому входу в каждом балансном восьмиполюснике образован независимый вход части квадранта, объединяющей несколько подрешеток.