Устройство формирования мощных широкополосных радиоимпульсов на волноводно-щелевых мостах

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в радиотехнических системах различного назначения, например в радиолокации для повышения разрешающей способности РЛС. Техническим результатом является получение мощных импульсных широкополосных излучений СВЧ диапазона с меньшими потерями и массогабаритными характеристиками. Технический результат достигается тем, что в устройство формирования мощных широкополосных радиоимпульсов на основе волноводно-щелевых мостов, содержащее сетку синхронизированных по фазе сигналов разных частот, линии задержки и фазируемую антенную решетку, введен многоканальный волноводно-щелевой сумматор сигналов разных частот, состоящий из входных фазовращателей, трехдецибельных волноводно-щелевых мостов и волноводных вставок, обеспечивающий сложение всех N входных разночастотных сигналов в каждом выходном канале с синхронизированными фазами, при этом максимальная мощность излучения во всех выходных каналах за счет перераспределения энергии во времени без учета потерь равна N2P0. 2 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в радиотехнических системах различного назначения и, в частности, в радиолокации для повышения разрешающей способности РЛС по дальности и распознаванию объектов.

Уровень техники

Среди известных устройств мощного импульсного СВЧ излучения особое место занимают генераторы на основе пучков релятивистских электронов (релятивистские клистроны и магнетроны, ЛОВ, генераторы на эффекте Черенкова). В настоящее время на их основе возможно создание генераторов с рекордной мощностью более 109 Вт и с длительностью импульсов от единиц до десятков наносекунд. Однако эти генераторы имеют низкий КПД (10-20%), что негативно сказывается на их тактико-технических характеристиках. К тому же низкий КПД влечет за собой использование более мощного источника первичного питания.

Одним из возможных направлений получения мощных коротких импульсов с длительностью 1…10 не является способ временной компрессии СВЧ импульсов (см. Ю.Г. Юшков и др. Наносекундный радиолокатор с временной компрессией СВЧ импульсов передатчика - журнал «Электромагнитные волны электронные системы», №6, т. 2, стр. 71…76, 1997 г.), суть которого состоит в накоплении энергии электромагнитного поля в резонаторе, возбуждаемом от генератора, работающего в режиме относительно длинных импульсов, и быстром выводе из него запасенной энергии за время, намного меньшее, чем время накопления. В этом случае происходит увеличение пиковой мощности выходных импульсов по сравнению с мощностью возбуждающего генератора. Коэффициент усиления может достигать 102-103. Однако устройства с временной компрессией имеют значительные потери энергии и требуют наличия сложных коммутирующих устройств, и поэтому на практике они не нашли широкого применения.

Из известных мощных широкополосных устройств СВЧ диапазона близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в работе (см. Н.В. Воробьев, В.А. Грязнов и др. Принцип пространственно-временного преобразования многочастотного сигнала для формирования мощных сверширокополосных радиоимпульсов - Радиотехника, 1998 г., №2), и устройство, представленное в патенте на изобретение (см. Н.В. Воробьев, В.А. Грязнов и др. «Устройство формирования мощных широкополосных импульсных сигналов на антенной решетке отражательного типа», патент №2285317, Заявка: 2004106579/09 от 09.03.2004).

Основой построения этих устройств является многочастотная антенная решетка с пространственно-временным преобразованием многочастотного сигнала. Наиболее близким прототипом изобретения по технической сущности является устройство (см. Н.В. Воробьев, В.А. Грязнов и др. Принцип пространственно-временного преобразования многочастотного сигнала для формирования мощных сверширокополосных радиоимпульсов - Радиотехника, 1998 г., №2), структурная схема которого приведена на фиг. 1. Устройство состоит из системы формирования сетки синхронизированных по фазе частот (1), сумматора сигналов разных частот (2), линий задержки (3), управляемых фазовращателей (4) и фазируемой антенной решетки (ФАР) (5). Основой построения сумматора являются многочастотная передающая антенная решетка (6) и приемная антенная решетка (7), разнесенные между собой на расстояние R. Частоты сигналов по элементам многочастотной решетки располагаются в порядке возрастания или убывания, а величина дискрета частоты Δƒ между соседними элементами решетки является постоянной величиной. Наличие на элементах решетки переменной фазы с постоянным приращением Δϕn~n⋅2πΔƒ⋅t приведет к сканированию диаграммы направленности в пространстве. Этот эффект хорошо известен и используется при создании обзорных РЛС.

Сканирующая диаграмма направленности многочастотной антенной решетки последовательно облучает входные элементы приемной антенны, формируя в каждом элементе импульс длительностью примерно равной времени прохождения луча апертуры приемного элемента. Линии задержки компенсируют образовавшееся запаздывание сигнала τ3 между элементами приемной антенны и обеспечивают одновременный приход сигналов к выходным элементам ФАР (5). Это позволяет увеличивать импульсную мощность за счет накопления энергии в линиях задержки за время, равное периоду сканирования многочастотной антенной решетки. При таком построении реализуется распределенный вывод энергии, что значительно снижает вероятность возникновения разрядов в антенно-фидерном тракте. Максимальная полная мощность излучения во всех выходных элементах ФАР без учета потерь, излучаемая М элементами ФАР при M=N, оказывается равной Р=N2P0, где N - число элементов многочастотной антенной решетки, Р0 - мощность одного частотного канала (1).

В таких устройствах требуемая ширина полосы частот ~(N-1)Δƒ при высокой импульсной мощности достигается за счет применения разнесенных по частоте сигналов на Δƒ, а изменением числа каналов и частоты разноса между ними можно формировать сигналы с заданными параметрами (длительность импульсов, частота повторения импульсов, ширина полосы частот).

Существенным фактором, ограничивающим возможности широкого применения данного изобретения, является крупногабаритная конструкция сумматора сигналов разных частот со сложной электродинамической структурой и значительные потери мощности в сумматоре.

Будем считать, что антенные решетки сумматора помещены в плоский металлический экран, размером соответствующий излучающему раскрыву передающей и раскрыву приемной антенных решеток.

Для оценки габаритных размеров сумматора воспользуемся соотношением R=Lпрд⋅LF0, где LF - линейный размер фокальной области сфокусированного сканирующего СВЧ луча, λ0 - средняя длина волны.

Из соотношения следует, что минимальное расстояние между антенными решетками не может быть меньше линейного размера передающей антенной решетки, т.е. Rmin=Lпрд, а реально оно должно быть значительно больше. Оценки показывают, что при N=10, λ0=8 см размер сумматора составит несколько метров. Уменьшения размера будет приводить к увеличению потерь и уменьшению импульсной мощности. Потери мощности в рассматриваемом прототипе обусловлены наличием боковых лепестков диаграммы направленности многочастотной антенной решетки и отражений от стенок сумматора. Они приводят к заметному шумоподобному фону между импульсами и к снижению пиковой мощности. С учетом потерь пиковая мощность может стать заметно меньше N2P0.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является снижение потерь и уменьшение массогабаритных характеристик устройства формирования мощных широкополосных радиоимпульсов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из системы формирования сетки синхронизированных по фазе сигналов разных частот (1), сумматора сигналов (2), линий задержки (3), управляемых фазовращателей (4) и фазируемой антенной решетке (5), сумматор разночастотных сигналов (2), построенный на основе многочастотной антенной решетки и приемной антенны, заменяется многоканальным волноводно-щелевым сумматором.

Использование многоканального волноводно-щелевого сумматора выгодно отличает его от указанного прототипа, особенно при относительно небольшом числе частотных каналов, так как такая конструкция сумматора в основном состоит из волноводов и нескольких однотипных трехдецибельных волноводно-щелевых мостов, объединенных в единый конструктив. Такая конструкция сумматора становится значительно более компактной, имеет небольшой внутренний объем, проще и дешевле в изготовлении. В такой конструкции максимальная напряженность электрического поля приходится на выходные трехдецибельные мосты, а задача поддержания требуемой электрической прочности решается путем заполнения элегазом только выходных трехдецибельных мостов под определенным давлением. В многоканальном волноводно-щелевом сумматоре распределение сигналов разных частот по каналам достигается с помощью последовательного деления мощности на волноводно-щелевых мостах. Если фазовое распределение на каждой частоте таково, что направления всех лучей совпадают, то поле излучения также имеет вид луча, угловая ширина которого совпадает с угловой шириной луча одной частоты, а во временном представлении излучение имеет вид коротких импульсов - биений. Максимальная мощность излучения во всех выходных каналах за счет перераспределения энергии во времени оказывается без учета потерь равной N2P0. Длительность формируемых импульсов составит τ≈1/(N-1)Δƒ, а при скважности равной N, время накопления tн~1/Δƒ, то длина линий задержки оказывается порядка с/Δƒ.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Структурная схема устройства, реализующего принцип пространственно-временного преобразования многочастотного сигнала на фазированных антенных решетках проходного типа.

Фиг. 2 - Структурная схема предложенного устройства формирования мощных широкополосных радиоимпульсов на волноводно-щелевых мостах.

Осуществление изобретения

На фиг. 2 изображена схема предлагаемого устройства, состоящего из системы формирования сетки синхронизированных по фазе сигналов разных частот (1), многоканального волноводно-щелевого сумматора (2), линий задержки (3), управляемых фазовращателей (4) и фазируемой антенной решетки (5), четырех трехдецибельных мостов (8).

Предлагаемое устройство на примере четырехканального сумматора работает следующим образом. Синхронизированные по фазе сигналы разных частот подаются на N входных каналов сумматора, имеющего N выходных каналов, причем в каждом выходном канале сигнал является суммой всех входных сигналов с синхронизированными фазами. Фазовая синхронизация сигналов на выходе сумматора достигается с помощью фазовращателей и отрезков волноводов. С выхода сумматора (2) сигналы подаются на линии задержки (3), далее на излучатели ФАР. Устройство включает в себя четырехканальный сумматор, который состоит из входных фазовращателей, четырех трехдецибельных мостов (8), волноводных вставок длиной 11 и 12. Сигнал с выходного плеча первого моста должен попасть на входное плечо четвертого моста. Такая перекрестная схема подачи сигналов может быть реализована или с помощью моста с полной связью, или с помощью волноводной разводки. Сигнал частоты поступает на первое плечо первого моста, затем через волноводные секции и вставку подается на плечи третьего и четвертого трехдецибельных мостов и через волноводные линии задержки поступает на вход ФАР. Представленное устройство аналогично диаграммообразующей матрице Батлера, используемой для формирования многолучевых (одночастотных) антенн (Сканирующие антенные системы СВЧ / Под ред. Р.С. Хансена, т. 3. - М.: Сов. радио, 1971 г.). Аналогичным образом можно построить восьмиканальный сумматор, который будет состоять из двух четырехканальных сумматоров и четырех трехдецибельных мостов.

Устройство формирования мощных широкополосных радиоимпульсов на основе волноводно-щелевых мостов, содержащее сетку синхронизированных по фазе сигналов разных частот, линии задержки и фазируемую антенную решетку, отличающееся тем, что в него введен многоканальный волноводно-щелевой сумматор сигналов разных частот, состоящий из входных фазовращателей, трехдецибельных волноводно-щелевых мостов и волноводных вставок, обеспечивающий сложение всех N входных разночастотных сигналов в каждом выходном канале с синхронизированными фазами, при этом максимальная мощность излучения во всех выходных каналах за счет перераспределения энергии во времени без учета потерь равна N2P0.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах радионавигации летательных аппаратов гражданской авиации. Техническим результатом изобретения является уменьшение неравномерности ДН в горизонтальной плоскости, отсутствие настройки при обеспечении минимального значения неравномерности ДН и обеспечение возможности формирования ДН специальной формы в вертикальной плоскости, в частности косекансной.

Изобретение относится к радиотехнической промышленности и может быть использовано в волноводной СВЧ антенной технике. Технический результат состоит в расширении функциональных возможностей фазированной антенной решетки (ФАР) за счет возможного использования, помимо полного раскрыва, отдельных решеток раскрыва антенны для формирования как независимо управляемых диаграмм направленности (ДН) от каждой из подрешеток, так и синтезирование различного рода ДН посредством обработки сигналов от подрешеток, используя цифровое диаграммообразование (ЦДО).

Изобретение относится к радиотехнике КВЧ диапазона и может быть использовано в радиолокационных системах с электрическим сканированием луча антенны, излучающей и принимающей электромагнитные волны с круговой поляризацией поля.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радарных системах, например в радарных системах с синтезированной апертурой. .

Изобретение относится к средствам связи и может использоваться в радиолокационной технике. .

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к системам связи с применением адаптивных антенных решеток. .

Изобретение относится к радиотехнике, может быть использовано в радиолокации, в системах связи и других устройствах, в которых используются последовательности радиоимпульсов.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антенной технике СВЧ радиосистем. .

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено, в частности для использования в качестве передающей антенны для телевизионного вещания. .

Изобретение относится к антеннам для использования в спутниковых системах связи. .

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к приемо-передающим элементам антенн, и может быть использовано в цифровых антенных решетках. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей за счет возможности его использования в цифровых антенных решетках.

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано в РЛС ближнего действия. Для получения виртуальной решетки необходимо, чтобы фазовые центры передающих антенн были сдвинуты относительно друг друга в азимутальной плоскости на где N - количество приемных каналов, λ - длина волны.

Заявлен приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки, содержащий, по меньшей мере, четыре одноканальных модуля, каждый из которых содержит последовательно соединенные защитное устройство и малошумящий усилитель приемного канала, выходной усилитель мощности передающего канала, два переключателя прием/передача, двунаправленный фазовращатель, схему управления, элементы электрической связи и питания, два вывода - первый и второй, при этом упомянутые электронные компоненты каждого из четырех одноканальных модулей выполнены в виде, по меньшей мере, трех фрагментов, каждый из заданных разных по составу электронных компонентов на отдельной диэлектрической подложке, при этом упомянутые фрагменты с одинаковыми электронными компонентами расположены на одном из, по меньшей мере, трех уровней - первом, втором, третьем соответственно, уровни соединены между собой посредством, по меньшей мере, трех соединительно-разделительных элементов, в каждом из них выполнены четыре полости по центру квадрантов зеркально симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось модуля, конфигурацией повторяющей упомянутый квадрант, при этом на первом уровне выполнены выходной усилитель мощности передающего канала, второй переключатель прием/передача, контакт первого переключателя прием/передача К1 соединен через двунаправленный фазовращатель с первым выводом, его контакт в положении передача К2 - с входом выходного усилителя мощности передающего канала, выход последнего - с контактом второго переключателя прием/передача К2, его контакт К1 - с вторым выводом, контакт второго переключателя прием/передача К3 - с входом защитного устройства, выход последнего - с входом малошумящего усилителя приемного канала, его выход - с контактом первого переключателя прием/передача К3, электрическую связь между электронными компонентами упомянутых фрагментов и каждого уровня обеспечивают элементы связи, при этом приемопередающий модуль имеет корпус, основание, стенки и крышка которого соединены с обеспечением герметичности.

Изобретение относится к медицине. Матрица антенн для электрической связи с антенной субмиллиметрового размера, встроенной в офтальмологическое устройство, содержит: основание; первую подложку, поддерживаемую основанием, при этом первая подложка имеет первую форму, выполненную с возможностью взаимодействия с офтальмологическим устройством, имеющим одну или более форм, одна из которых комплементарна первой форме; и одну или более матриц изолированных антенн субмиллиметрового размера, выполненных с возможностью обеспечивать оптимизированную связь ближнего поля между по меньшей мере одной из изолированных антенн субмиллиметрового размера в одной или более матриц и по меньшей мере одной антенной субмиллиметрового размера в офтальмологическом устройстве.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для приёма широкополосных сигналов. Устройство содержит приёмник, процессор формирования диаграммы направленности, запоминающее устройство, шину данных, управляющую ЭВМ, дешифратор адреса, генератор тактовых импульсов, гетеродин и совокупность трактов приёма сигналов от антенн, являющихся частью антенной решётки.

Изобретение относится к области связи, более конкретно к устройствам связи, в частности к антенному блоку для телекоммуникационного устройства и телекоммуникационному устройству, которые могут быть использованы в сетях связи 5-го поколения.

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к активным фазированным антенным решеткам (АФАР) Х-диапазона, расположенным в носовой части самолета или вертолета.

Изобретение относится к радиолокации. Способ основан на изменении фазового распределения в апертуре антенной системы с электронным управлением лучом (АС с ЭУЛ) путем электронного управления фазовым сдвигом СВЧ-сигнала в каждом ее излучателе и формировании зоны электронного сканирования с телесным углом, равным ±θ, где θ - угол отклонения луча АС с ЭУЛ от нормали к ее апертуре, размещении АС с ЭУЛ на поворотном устройстве, обеспечивающем ее вращение вокруг своей оси на угол β, изменяемый от 0° до 360°, суммировании зон электронного и механического сканирования.

Изобретение относится к антенной технике. Регулируемое фазовращающее устройство антенной решетки для передачи сигнала между общим входным портом и несколькими портами, содержащее проводниковую камеру, разветвленную сеть фидеров, диэлектрический элемент и рычаг тяги.
Изобретение относится к проектированию и синтезу многолучевых самофокусирующихся адаптивных антенных решеток (МЛ СФААР). Способ позволяет выполнить синтез МЛ СФААР, обеспечивающей максимизацию отношения сигнал/помеха+шум (ОСПШ) на выходе антенной решетки (АР) в условии взаимной корреляции сигналов источников излучения при изменении параметров сигнально-помеховой обстановки (СПО).

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в радиотехнических системах различного назначения, например в радиолокации для повышения разрешающей способности РЛС. Техническим результатом является получение мощных импульсных широкополосных излучений СВЧ диапазона с меньшими потерями и массогабаритными характеристиками. Технический результат достигается тем, что в устройство формирования мощных широкополосных радиоимпульсов на основе волноводно-щелевых мостов, содержащее сетку синхронизированных по фазе сигналов разных частот, линии задержки и фазируемую антенную решетку, введен многоканальный волноводно-щелевой сумматор сигналов разных частот, состоящий из входных фазовращателей, трехдецибельных волноводно-щелевых мостов и волноводных вставок, обеспечивающий сложение всех N входных разночастотных сигналов в каждом выходном канале с синхронизированными фазами, при этом максимальная мощность излучения во всех выходных каналах за счет перераспределения энергии во времени без учета потерь равна N2P0. 2 ил.

Наверх