Система фазирования антенной решетки (варианты)

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при построении центров КВ радиосвязи с несколькими корреспондентами с возможностью когеррентного сложения мощностей нескольких радиопередатчиков. Изобретение позволяет увеличить КБВ в передающем тракте и повысить развязки радиопередатчиков при работе их в режиме когеррентного сложения мощностей, сохраняя возможность работы системы в многочастотном режиме. Система фазирования n-элементной антенной решетки содержит диаграммообразующую схему (ДОС) квадратурного типа с n-выходами и m-входами и p-радиопередатчиков, а также: коммутатор, выходы которого подключены ко входам ДОС, и распределенные по K-уровням переключатели и сумматоры. При этом выход каждого радиопередатчика соединен со входом соответствующего переключателя первого уровня, первые выходы переключателей всех уровней подключены непосредственно ко входам коммутатора, а вторые - через соответствующие сумматоры непосредственно ко входам коммутатора или ко входам переключателей следующего уровня. 2 с.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при построении центров КВ-УКВ радиосвязи с несколькими корреспондентами.

Известны системы фазирования антенных решеток, использующие диаграммообразующие схемы (ДОС), позволяющие подключать к решетке несколько радиопередатчиков. Подобные системы часто строятся в матричном виде (используются так называемые матрицы Батлера). Матрицы Батлера могут быть построены на базе элементов двух типов: гибридных сумматоров и квадратурных направленных ответвителей. ДОС, использующие гибридные сумматоры, предполагают использование широкополосных фазовращателей (С6. Антенны, вып.20, М. Связь, с.32, 1974). Это значительно усложняет конструкцию системы.

От этого недостатка свободны ДОС (патент США N 4213132, кл. H 01 Q 21/60, вып. 15.07.80), построенные на основе квадратурных направленных ответвителей. ДОС указанного типа выбрана в качестве ближайшего аналога.

Рассматриваемая ДОС имеет n входов и n выходов. При подключении радиопередатчика к одному из входов ДОС на ее n выходах появляются n сигналов с соответствующими разностями фаз, кратными 90^o, обеспечивающие формирование соответствующей диаграммы направленности антенной решетки. При подключении m радиопередатчиков (m ≅ n), работающих на разных частях, к различным входам ДОС формируются одновременно m соответствующих диаграмм направленности. При подключении n когерентных радиопередатчиков ко входам ДОС и соответствующем фазировании выходных сигналов радиопередатчиков можно осуществить когерентное сложение мощностей радиопередатчиков в общем лепестке диаграммы направленности.

Недостатком указанной системы является то, что при низком коэффициенте бегущей волны (КБВ) антенной решетки и при работе n радиопередатчиков в когерентном режиме КБВ в выходном фидере каждого радиопередатчика также будет низким и, кроме того, развязки некоторых пар входов ДОС (некоторых пар радиопередатчиков) также будут низкими.

Цель изобретения увеличение КБВ в передающих трактах и повышение развязки радиопередатчиков при работе их в режиме когерентного сложения мощностей, сохраняя все функциональные возможности ближайшего аналога.

Указанная задача имеет два варианта решения. В обоих вариантах в систему фазирования антенной решетки, содержащей ДОС квадратурного типа и радиопередатчики, введены коммутатор, выходы которого подключены ко входам ДОС, сумматоры с одним выходом каждый и переключатели с одним входом и двумя выходами каждый. В первом варианте выход каждого радиопередатчика соединен со входом соответствующего переключателя, первый выход которого непосредственно, а второй через соответствующий сумматор подключены ко входам коммутатора. Во втором варианте переключатели и сумматоры распределены по k уровням, где k ≥ 2; при этом выход каждого радиопередатчика соединен со входом соответствующего переключателя первого уровня, первые выходы переключателей всех уровней подключены непосредственно ко входам коммутатора, вторые выходы переключателей последнего k-го уровня подключены через соответствующие сумматоры ко входам коммутатора, а вторые выходы переключателей других 1, 2,k-1 уровней подключены через соответствующие сумматоры ко входам переключателей следующего 2,3,k-го уровня.

На фиг.1 изображена структурная схема передающего тракта по первому варианту для n m 4 с использованием двух двухвходовых сумматоров; на фиг.2 схема исполнения ДОС с помощью квадратурных направленных ответвителей; на фиг.3 структурная схема передающего тракта по первому варианту для n m 4 с использованием одного четырехвходового сумматора; на фиг.4 структурная схема передающего тракта по второму варианту для n m 4.

В структурную схему системы фазирования антенной решетки (фиг.1-4) входят: диаграммообразующая схема 1, радиопередатчики 2 5, коммутатор 6, выходы 7 10 которого подключены ко входам 11 14 ДОС 1, сумматоры 15 17 с одним выходом каждый и переключатели 18 23 с одним входом и двумя выходами каждый. Выходы 24 27 ДОС 1 соединены с излучателями 28 31 фазированной антенной решетки. Диаграммообразующая схема 1, в свою очередь, состоит (фиг.1) из четырех квадратурных направленных ответвителей 32 35, соединенных между собой каскадно-перекрестно.

Для системы фазирования антенной решетки по первому варианту (фиг.1-3) выход каждого радиопередатчика 2 5 соединен со входом соответствующего переключателя 18 21; первый выход каждого переключателя непосредственно, а второй через соответствующий сумматор 15 или 16 подключены ко входам коммутатора 6.

Для системы фазирования антенной решетки по второму варианту (фиг.4) переключатели 18 23 и сумматоры 15 18 распределены по двум (k 2) уровням. При этом выход каждого радиопередатчика 2 5 соединен со входом соответствующего переключателя 18 21 первого уровня, первые выходы переключателей 18 23 всех уровней подключены непосредственно ко входам коммутатора 6, вторые выходы переключателей 22, 23 последнего (второго) уровня подключены через соответствующий сумматор 17 этого же уровня ко входу коммутатора 6, а вторые выходы переключателей 18 21 другого (первого) уровня подключены через соответствующие сумматоры 15, 16 ко входам переключателей 22, 23 следующего (второго) уровня.

Каждый квадратурный направленный ответвитель 32 35 (фиг.2) расщепляет сигнал, поданный на любой их его входов на два равноамплитудных выходных сигнала, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 90^o.

Фазовое распределение выходных сигналов для ДОС 1 показано в таблице.

Фазированная антенная решетка состоит из ненаправленных излучателей 28 -31, фазовые центры которых расположены в вершинах квадрата (фиг.1). Расстояние между фазовыми центрами диагональных излучателей 28, 30 и 29, 31 должно равняться λ₀/2, где λ₀ длина волна на средней частоте рабочего диапазона. Диаграммы направленности (ДОС) в горизонтальной плоскости для рассматриваемой решетки имеют максимумы, направленные вдоль диагоналей квадрата, как это показано в таблице. Радиопередатчики 2 5, подключенные к излучателям 28 31 через ДОС 1, оказываются в определенной степени развязанными между собой. Для идеальной решетки радиопередатчики оказываются полностью развязанными.

Если радиопередатчики 2 5 работают в когерентном режиме (то есть частоты f₂ f₅ сигналов на выходах радиопередатчиков удовлетворяют f₂ f₃ f₄ f₅), то, придав выходным сигналам радиопередатчиков дополнительные фазовые сдвиги типа 0^o, 90^o, 90^o, 180^o, можно получить на выходах ДОС 1 распределение суммарного выходного сигнала, аналогичное приведенному в таблице (при этом необходимо поменять местами подключение выходов ДОС к излучателям). В результате в любом из диагональных направлений будет излучена мощность, превышающая в 4 раза мощность, излучаемую от одного радиопередатчика, работающего на антенную решетку через ДОС 1.

Если реальная антенная решетка создает в фидерах, питающих излучатели 28 31, коэффициент бегущей волны (КБВ) К₁, а ДОС 1 имеет собственный КБВ K₂, то при работе четырех передатчиков в когерентном режиме КБВ в выходных фидерах радиопередатчиков может оказаться равным произведению K₁K₂, то есть ниже, чем K₁, а развязки ζ пар входов 11, 14 и 12, 13 ДОС и, следовательно, развязки соответствующих пар радиопередатчиков будут составлять где коэффициент отражения излучателей антенной решетки (развязки других пар входов (11, 12), (11, 13) и (12, 14) ДОС будут значительно большими). Введение коммутатора 6, сумматоров 15 17 и переключателей 18 23 позволяет при работе радиопередатчиков в когерентном режиме значительно увеличить КБВ В их выходных фидерах и повысить развязки радиопередатчиков.

Ниже приводится объяснение этого эффекта.

Пусть радиопередатчик подключен ко входу 11 ДОС 1. Если излучатели 28-31 идентичны, то отраженные от них волны будут приходить на зажимы 24 27 ДОС 1 с такими же фазовыми соотношениями, что и падающие. Распространяясь вдоль ДОС 1 в обратном направлении, эти отраженные волны будут алгебраически (с учетом фаз) складываться на каждом входном зажиме каждого квадратурного направленного ответвителя 32 35. Можно показать, что в результате такого сложения отраженные волны придут только на вход 14 ДОС 1. Если вход 14 ни к чему не подключен (холостой), то произойдет новое полное отражение от него рассматриваемого сигнала, и последний, проходя в прямом направлении через ДОС 1, вторично частично излучится фазированной антенной решеткой, а частично отразится обратно в тракт. После второго отражения от антенной решетки сигнал попадает на вход 11 ДОС, то есть в тот же канал, в котором он был возбужден. Амплитуда этого сигнала составляет уже не ГU, а Г²U, где U напряжение падающей (от радиопередатчика) волны. В результате эффективный коэффициент отражения Г_эфф Г². Следовательно, эффективный КБВ в тракте радиопередатчика при K₂1 повышается от значения K₁ до значения При K₁ 0,3 получается K_эфф 0,55, то есть происходит увеличение КБВ почти в 2 раза.

Аналогично обстоит дело в случае, если радиопередатчик подключен ко входу 12 или 13 или 14 ДОС 1, а разомкнуты соответственно входы 13 или 12 или 11 ДОС 1.

Если перемычки переключателей 18 23 установлены в положения, показанные на фиг. 1-4, то система фазирования антенной решетки работает тождественно ближайшему аналогу, так как в этом случае осуществляет обход сумматоров 15 -17.

Если перемычки некоторых переключателей установлены в другие положения и выходные сигналы соответствующих радиопередатчиков когерентны, то отдельные входы ДОС 1 оказываются холостыми, и это, в соответствии с вышеизложенным, приводит к увеличению КБВ в трактах указанных радиопередатчиков. Рассмотрим примеры работы первого (фиг.1-3) и второго (фиг.4) вариантов системы фазирования антенных решеток.

Пусть перемычки переключателей 18 21 на фиг.1 переведены в противоположные положения, радиопередатчики 2, 3 и 4, 5 имеют попарно когерентные выходные сигналы, то есть f₂ f₃ и f₄ f₅, а коммутатор 6 подключает выходы сумматоров 15 и 16, например, ко входам 11 и 12 ДОС 1. В этом случае мощности радиопередатчиков 2 и 3 (4 и 5) сложатся и через сумматор 15 (16) будут подведены к излучателям антенной решетки. Удвоенные мощности сигналов с частотами f₂ f₃ и f₄ f₅ будут излучены в соответствующих направлениях. Так как входы 13 и 14 ДОС 1 при этом оказываются холостыми, то эффективный КБВ на входах 11 и 12 ДОС 1, а следовательно, КБВ на выходах сумматоров 15, 16 повысится до значений, определяемых соотношением (2). Так как развязки входов 11 и 12 ДОС 1 велики, то такими же будут и развязки сумматоров 15 и 16, а следовательно, и развязки первой группы (2, 3) и второй группы (4, 5) радиопередатчиков. Развязки радиопередатчиков 2 и 3 (4 и 5) внутри группы определяются свойствами сумматора 15 (16). В итоге развязки радиопередатчиков не ограничиваются соотношением (1).

Пусть перемычки переключателей 18 21 на фиг.3 переведены в противоположные положения, радиопередатчики 2 5 имеют когерентные выходные сигналы, то есть f₂ f₃ f₄ f₅, а коммутатор 6 подключает выход сумматора 15 к какому-либо входу ДОС 1. В этом случае мощности радиопередатчиков 2 5 сложатся и через сумматор 15 будут подведены к излучателям антенной решетки. Учетверенная мощность сигнала с частотой f f₂ f₃ f₄ f₅ будет излучена в соответствующем направлении. Так как остальные входы ДОС 1 при этом оказываются холостыми, то эффективный КБВ на задействованном входе ДОС 1, а следовательно, и КБВ на выходе сумматора 15 повысится. Развязки радиопередатчиков 2 5 определяются свойствами сумматора 15 и не ограничиваются соотношением (1).

Пусть перемычки переключателей 18 21 на фиг.4 переведены в противоположные положения, а перемычки переключателей 22 и 23 оставлены в тех же положениях, что и на фиг.4. Нетрудно видеть, что при условии f₂ f₃, f₄ f₅ схема будет работать так же, как и схема на фиг.1 в первом примере, то есть в режиме попарно-когерентного сложения мощностей радиопередатчиков. Если же перемычки переключателей 22, 23 также переведены в противоположные положения, то при условии f₂ f₃ f₄ f₅ схема на фиг.4 будет работать так же, как и схема на фиг.3 во втором примере. Соответственно будут происходить аналогичные увеличения КБВ и развязок в трактах радиопередатчиков.

Аналогично могут быть построены системы фазирования антенных решеток, имеющие n > 4 выходов и k > 2 уровней.

Формула изобретения

1. Система фазирования антенной решетки, содержащая диаграммообразующую схему квадратурного типа и радиопередатчики, отличающаяся тем, что введены коммутатор, выходы которого подключены к входам диаграммообразующей схемы, сумматоры с одним выходом каждый и переключатели с одним входом и двумя выходами каждый, при этом выход каждого радиопередатчика соединен с входом соответствующего переключателя, первый выход которого непосредственно, а второй через соответствующий сумматор подключены к входам коммутатора.

2. Система фазирования антенной решетки, содержащая диаграммообразующую схему квадратурного типа и радиопередатчики, отличающаяся тем, что введены коммутатор, выходы которого подключены к входам диаграммообразующей схемы, сумматоры с одним выходом каждый и переключатели с одним входом и двумя выходами каждый, переключатели и сумматоры распределены по k уровням, где k 2,3, при этом выход каждого радиопередатчика соединен с входом соответствующего переключателя первого уровня, первые выходы переключателей всех уровней подключены непосредственно к входам коммутатора, вторые выходы переключателей последнего k-го уровня подключены через соответствующие сумматоры к входам коммутатора, а вторые выходы переключателей других 1,2, k 1 уровней подключены через соответствующие сумматоры к входам переключателей следующего 2,3, k-го уровня.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5