Устройство распределенного автофазирования антенной решетки

 

Использование: в антенных решетках с электрическим управлением диаграммой направленности для повышения точности формирования фазового распределения в широком диапазоне частот. Сущность изобретения: устройство содержит N каналов, каждый из которых содержит управляемые фазовращатели (1), интеграторы (2), первые блоки вычитания (3), блок управления (4)j фазовые дискриминаторы, (5) с квадратур- Тшми выходами, блок коммутации (6) и второй блок вычитания (7). 1-5-6-3-2-1, 6-4-3,1-5-6-7-3-2-1.1 ил„2табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 Н 01 Q 3/26

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

" C", 4,р (21) 4883279/09 (22) 16.11.90 (46) 07.03.93. Бюл, М 9 (71) Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (72) С. В. Есин, В. И. Каганов и А. П. Пирхавка (56) Авторское свидетельство СССР

N- 1506497, кл. Н 01 Q 3/26, 1987, прототип. (54) УСТРОЙСТВО РАСПРЕДЕЛЕННОГО .

АВТОФДЗ И РОВАН ИЯ АНТЕ Н «(ОЙ P Е. ШЕТКИ,, Ы„, 1800526 А1 (57) Использование: в антенных решетках с электрическим управлением диаграммой направленности для повышения точности формирования фазового распределения в широком диапазоне частот. Сущность изобретения: устройство содержит К каналов, каждый из которь1х содержит управляемые фазовращатели (1), интеграторы (2), первые блоки вычитания (3), блок управления (4); фазовые дискриминаторы, (5) с квадратурными выходами, блок коммутации (6) и второй блок вычитания (7). 1 — 5 — 6 — 3 — 2 — 1, 6 — 4 — 3, 1 — 5 — 6 — 7 — 3 — 2 — 1. 1 ил., 2 табл.

1800526. Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования в антенных решетках с электрическим сканированием.

Цель изобретения — повышение точности формирования фазового распределения при работе в диапазоне частот.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство распределенного автофаэирования антенной решетки, содержащее блок управления, а также N каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных первого блока вычитания, интегратора и управляемого фазовращателя, сигнальный вход которого является входом, а выход — выходом соответствующего канала, выход блока управления через шину управления соединен со вторым входом первого блока вычитания каждого канала, при этом каждый 1-й канал (=t,2,3,..., К— 1) содержит фазовый дискриминатор, первый вход которого соединен с выходом управляемого фазовращателя соответствующего канала, а второй вход фазового дискриминатора первого канала соединен с первым входом фазового дискриминатора второго канала, в каждый 1-й канал введены последовательно соединенные переключатель и управляемый инвертор, управляющие входы которых через шину управления подключены к выходу блока управления, а в каждый -й канал, начиная со второго, введен второй блок вычитания, выход и первый вход которого подключены соответственно к выходу первого блока вычитания и к выходу управляемого инвертора соответствующего канала, а второй вход второго блока вычитания соответствующего канала подключен к выходу управляемого инвертора предыдущего канала, при этом первый вход первого блока вычитания первого и й-го каналов подключен соответственно к выходу управляемого инвертора первого и (N — 1)-го каналов, фазовый дискриминатор снабжен квадратурным выходом, причем квадратурный и синфазный выходы фазового дискриминатора каждого канала соединены соответственно с первым и вторым входами переключателя соответствующего канала, а второй вход фазового дискриминатора соответствующего канала, начиная со второго, соединен с выходом управляемого фазовращателя последующего канала.

Указанная совокупность отличительных от прототипа признаков в известных аналоах и других технических решениях ранее не использовалась. В заявляемом устройстве благодаря осуществлению коммутации выходных напряжений фазовых дискриминаторов не наблюдается рост ошибок фазирования при работе устройства в диапазоне частот, Кроме того, исключение иэ устройства высокочастотного сумматора и дискретных фазовращателей, которым неминуемо присущи определенные фазовые погрешности, также обеспечивает снижение ошибок при формировании требуемого фазового распределения в апертуре антенной решетки.

10 На чертеже представлена структурная схема устройства распределенного автофазирования антенной решетки.

Устройство содержит в каждом канале управляемый фазовращатель 1, интегратор

"5 2, первый блок вычитания 3, а также общий для всех каналов блок управления 4. Во всех каналах, за исключением M-ro, устройство содержит фазовый дискриминатор. 5 и блок коммутации 6. Во всех каналах, за исключе20 нием первого и N-го, устройство содержит второй блок вычитания 7.

Являющийся выходом канала выход управляемого фазовращателя 1 во всех каналах, кроме N-ro, соединен с первым входом

25 фазового дискриминатора 5, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму выходам блока коммутации 6. Второй вход фазового дискриминатора 5 l-го канала (I = 1, 2, ..., N — 1)

30 подключен к выходу(! + 1)-го канала. Выход блока коммутации 6 всех каналов, кроме первого, соединен с первым входом второго блока вычитания 7, второй вход которого связан с выходом блока коммутации 6 пред35 ыдущего канала, а выход -с первым входом первого блока вычитания 3. Выход блока коммутации 6 первого канала соединен с первым входом первого блока вычитания 3.

Выход первого блока вычитания 3 в каждом

40 1-м канале через интегратор 2 соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя 1. В N-м канале первый входпервого блока вычитания 3 подключен к выходу блока коммутации 6 (N -1)-ro канала, а вы45 ход через интегратор 2 — к управляющему входу управляемого фазовращателя 1 N-го канала, Сигнальные входы управляемых фазовращателей являются входами каналов, Выход блока управления 4 через шину уп50 равления подключен ко вторым входам первых блоков вычитания 3 и к входам уп-. равления блоков коммутации 6.

Устройство работает следующим образом, В результате действия контура фазовой автоподстройки, включающего управляемый фазовращатель 1, фазовый дискриминатор 5, блок коммутации 6, первый блок вычитания 3 и интегратор2, фазы выходного сигнала первого и N-го каналов подстраива1800526 ются соответственно под фазу выходного сигнала второго и (N — 1)-ro каналов, B качестве датчика фазовых рассогласований выходных сигналов соседних каналов используются фазовые дискриминаторы 5 с квадратурными выходами, т. е, формирующие напряжения, пропорциональные синусу и косинусу фаз сигналов на выходе соседних каналов. При установке требуемых межканальных разностей фаз с помощью блока коммутации 6 осуществляется подача одного из выходных напряжений фазового дискриминатора на первый вход первого блока вычитания. Причем одновременно возможно его инвертирование, В зависимости от номинального значения устанавливаемой межканальной разности фаз Л Ъ алгоритм переключения выходных напряжений фазовых дискриминаторов 5 с помощью блока коммутации 6 может быть задан табл. 2, Для точной установки требуемого значения межканальной разности фаз на второй вход первого блока вычитания 3 первого и N-го каналов подаются соответствующие напряжения от блока управления 4, что приводит к плавному смещению нуля характеристики фазового дискриминатора

5.

В остальных каналах управление блоками коммутации 6 осуществляется по алгоритму, заданному табл. 1. При этом для реализации распределенного управления во все, кроме крайних, каналы вводятся вторые блоки вычитания 7, на выходе которых вырабатывается напряжение, пропорциональное отличию межканальных разностей фаз двух смежных пар соседних каналов, В результате действия контуров фазовой автоподстройки происходит выравнивание данных разностей фаз по всей апертуре, Абсолютное значение данных разностей определяется, помимо состояния блоков коммутации, лишь напряжением, подаваемым от блока управления на вторые входы первых блоков вычитания первого и N-го каналов. Если значения межканэльных разностей фаз по апертуре отличаются, т. е. формируется нелинейное распределение фаз, то соответствующие напряжения под-. аются от блока управления на вторые входы первых блоков вычитания всех остальных каналов.

При реализации предложенного алгоритма управления блоком 6 выходное напряжение UEB2l второго блока вычитания произвольного 1-го канала определяется соотношением

0БВ2! = Ksln(!n p + 1 + уз ) — К з1п (p — 1 — P +Ф) =

= Кcos (+й) з п (Р

rpl+1+rPl — 1

10 где К вЂ” коэффициент пропорциональности;

+ определяется состоянием блока коммутации 6 или (что то же самое) требуемой характеристикой фазового дискриминатора

5 (тэбл. 1).

Из сопоставления укаэанного соотношения и табл. 2 следует, что при любом значении

9+1+И вЂ” 1

Л о величина cos(+g ) не

2 уменьшается более чем в 1/ 2разэ и не меняет знак на обратный. То есть крутизна рабочего участка характеристики фазового дискриминатора 5 не уменьшается более

25 чем в 1/ /2 раза при любом фазовом распределении на выходах каналов, что гарантирует устойчивость и эффективность действия контуров фазовой эвтоподстройки всех каналов.

Из известного соотношения также следует, что в предлагаемом устройстве выполняется алгоритм распределенного управления, поскольку напряжение Uagzi (i = 2..., К вЂ” 1), являющееся фэктическ@ сигналом ошибки контура фазовой автоподстройки, пропорционально синусу разности

0+1+0 — 1

p .. Следовательно, фаза

2 сигнала на выходе каждого из некрайних

4р каналов подстраивается под среднее значение фаз сигналов соседнйх каналов, что и является алгоритмом распределенного управления.

В заявляемом устройстве могут быть

45 применены аналоговые управляемые фазовращатели 1 любого типа. Блок управления 4 может быть реализован на основе командных устройств табличного типа либо на базе специализированных вычислитель50 ных схем с использованием операционных усилителей для формирования напряжений управления, подаваемых на вторые входы первых блоков вычитания 3. Первый и второй блоки вычитания, а также интегратор 2 могут быть выполнены на основе операционных усилителей; Возможна реализация фазовых дискриминаторов 5 с квадратурными выходами нэ основе мостовых устройств.

Широкополосные свойства такого фазового дикриминатора однозначно определяются

1800526 рабочей полосой мостовых устройств, которая может составлять, например, октаву, если мосты реализованы на связанных линиях, Блок коммутации 6 осуществляет в соответствии с командами блока управления лучом подключение одного из выходов фазового дискриминатора к входам последующих блоков и, при необходимости, инвертирование выходных сигналов фазовых дискриминаторов (табл. 2). Блок коммутации 6 может быть выполнен на транзисторах и операционных усилителях.

В прототипе при работе в диапазоне частот длины коммутируемых отрезков дискретных фазовращателей рассчитываются на центральной частоте. Пусть диапазон частот составляет от fH = 1 ГГц до f> 2 ГГц, т. е. центральная частота равна 4 = 1,5 ГГц.

Рассмотрим случай, когда рабочая частота совладает с нижней частотой диапазона 1

ГГц, а номинальное значение межканальной разности фаз находится в интервале

90 < Лр I < 135 . При этом в одном из дискретных фазовращателей, включенном на входе высокочастотного сумматора, подключается отрезок линии длиной i4 /4, где

Мо= 20 см — длина волны на центральной частоте. Такой фазовращатель должен вносить фазовый сдвиг, равный 90 . Одновременно в дискретном фазовращателе, включенном на выходе высокочастотного сумматора, коммутируются отрезки линий

Длиной 2о /8 и 3 Q /8, и Он Должен Вносить фазовый сдвиг 135о с целью компенсации фазового сдвига первого фазовращателя

90 и сохранения неизменным знака обратной связи вустройстве. Фактически при уменьшении рабочей частоты до 1 ГГц данный фазовращатель будет вносить фазовый сдвиг

2ю Яо о 2д ЗЯо

Д,P1 = — =60 gg = — — =90о н . 4 i4 8 соответственно, В результате при ошибке первого фазовращателя 30 суммарная ошибка Ьфш второго (выходного) дискретнога фазовращателя оказывается равной

,@ш (180о Я ),,р, =60о

Таким Образом, в прототипе ошибка фазирования при работе в октавной полосе окажется равной 60о, В заявляемом устройстве данная ошибка фазирования не возникает ввиду отсутствия в нем дискретных фазовращателей и осуществления аналогичной по цели коммутации на низкой частоте, т. е. на выходах фазовых дискриминаторов 5. лишь нестабильностью нуля фазовых диск20 риминаторов, которая составляет порядка

2 — 3 при использовании схем на основе мостовых устройств.

Таким образом, по сравнению с прото25 типом фазовые ошибки в предлагаемом устройстве уменьшаются при работе в диапазоне частот более чем на порядок, что приводит к улучшению всех основных характеристик антенной решетки; увеличению

30 коэффициента направленного действия. уменьшению уровня боковых лепестков, сужению главного лепестка диаграммы направленности. При этом менее жесткие требования предьявляются к стабильности

35 фазочастотных характеристик всех узлов антенной решетки, что упрощает ее практи ческую реализацию. Возможность обеспечения высокочастотного фазирования и полосе частот позволяет улучшить характе40 ристики радиотехнических средств, в состав которых входит заявляемое устройство, в частности, за счет использования более широкополосных сигналов.

Формула изобретения

Устройство распределенного автофазирования антенной решетки, содержащее блок управления, а также И каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных первого блока вычитания, интегратора и управляемого фазовращателя. сигнальный вход которого является входом, а выход — выходом соответствующего канала, выход блока управления через шину управления соединен с вторым входом первого блока вычитания каждого канала, при этом каждый l-тый канал, где i = t, 2.

3, ..., К вЂ” 1, содержит фазовый дискримина !

Среднее квадратичное отклонение фазового набега в отрезке микрополосковой линии передачи с учетом разброса эффективного значения диэлектрической прони5 цаемости и волновых сопротивлений из-за конструктивно-технологических погрешностей изготовления составляет: при фазовом набеге Лр= 180о, о„, = 0,37, при Л р

=360о, o< = 1,77, при Лр = 540о, о1

10 =2,9о. В дискретных фазовращателях, в высокочастотном сумматоре и соединяющих их фидерах суммарный фазовый набег может составлять порядка 540 . В результате колебания фазового набега возможны в

15 пределах +. 3 o — .+. 9о, что приведет к аналогичным погрешностям в установке фазового распределения в апертуре. В заявляемом устройстве данные ошибки фазирования отсутствуют, так как определяются

1800526

Таблица 1

Таблица 2

Составитель А. Пирхавка

Техред М. Моргентал

Редактор С, Кулакова

Корректор П. Гереши

Заказ 1169 . Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 !

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ! тор, первый вход которого соединен с выходом управляемого фазовращателя соответствующего канала, а второй вход фазового дискриминатора первого канала соединен с первым входом фазового дискриминатора 5 второго канала, отл ича ю щ ее с ятем, что, с целью повышения точности формиро- . вания фазового распределения в широком диапазоне частот, в каждый 1-тый канал введены последовательно соединенные пере- 10 ключатель и управляемый инвертор, управляющие входы которых через шинууправления подключены к выходу блока управления, а в каждый I-тый канал, начиная с второго, введен второй блок вычитания, вы- 15 ход и первый вход которого подключены соответственно к входу первого блока вычитания и к выходу управляемого инвертора соответствующего канала, а второй вход второго блока вычитания соответствующего канала подключен к выходу управляемого инвертора предыдущего канала, при зтом вход первого блока вычитания первого и

Й-ro каналов подключен соответственно к выходу управляемого инвертора первого и (N — 1)-го каналов, фазовый дискриминатор снабжен квадратурным выходом, причем квадратурный и синфазный выходы фазового дискриминатора каждого канала соединены соответственно с первым и вторым входами переключателя соответствующего канала, а второй вход фазового дискриминатора соответствующего канала, начиная с второго, соединен с выходом . управляемого фазовращателя последующего канала.