Фазированная антенная решетка с двумя независимыми лучами и управляемой поляризацией в суммарном луче (варианты)

Изобретение относится к антенной СВЧ-технике и может быть использовано в проходных или отражательных ФАР с электрическим сканированием луча различного назначения, в том числе в РЛС поиска, сопровождения и определения координат целей. Техническим результатом является создание адаптивной ФАР, которая может формировать два независимо управляемых луча с ортогональными поляризациями поля СВЧ и коэффициентом усиления, соответствующим полному коэффициенту использования поверхности по каждому из лучей, может формировать суммарный луч с удвоенной излучаемой мощностью и обеспечивать в этом режиме управление различными видами поляризации, при этом все три луча одновременно работают на одной и той же частоте рабочего диапазона. ФАР содержит излучатели, управляемые фазовращатели, систему возбуждения фазовращателей, связанную с приемопередающими каналами, и систему управления лучом, при этом в качестве излучателей применены излучатели продольного типа, предназначенные для работы на ортогональных поляризациях излучаемого и принимаемого сигналов, каждый из которых имеет два развязанных по высокой частоте выхода, соответствующие двум ортогональным поляризациям, одну геометрическую ось для обеих поляризаций излучаемого или принимаемого сигнала, совпадающие фазовые центры и совпадающие диаграммы направленности, при этом система возбуждения состоит из двух облучателей или фидерной распределительной системы, двух циркуляторов, развязывающих каналы приема и передачи, двух переключателей рода работы и сумматора. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к антенной СВЧ-технике и может быть использовано в проходных или отражательных фазированных антенных решетках (ФАР) с электрическим сканированием луча различного назначения, в том числе в радиолокационных станциях поиска, сопровождения и определения координат целей.

Известна фазированная антенная решетка с независимо управляемыми лучами, имеющими левую и правую круговую поляризации (см. описание к патенту США (US) №3854140, 1973 г., МКИ Н 01 Q 19/00, НКИ 343-756). Лучи формируются независимо двумя антеннами, имеющими апертуры, расположенные одна над другой, и работающими в одном или различных частотных диапазонах. Вся антенная система состоит из двух плоских решеток симметричных вибраторов (без директоров). Решетки вибраторов расположены друг над другом и излучают в направлении, перпендикулярном плоскости решеток. Вибраторы в одной плоскости перпендикулярны вибраторам другой плоскости, поэтому обе решетки взаиморазвязаны и радиопрозрачны одна по отношению к другой. Аналогичным образом расположены фидерные распределительные системы обеих решеток (каждая на своей апертуре). Вибраторы снабжены дискретными фазовращателями, управляемыми от общего блока управления лучами. Над обеими решетками располагается не перестраиваемый поляризатор, преобразующий линейные поляризации лучей решеток в круговые поляризации (левую и правую).

Известная ФАР имеет следующие недостатки.

- Антенна формирует два независимых луча двумя раздельными ФАР с сильно разнесенными фазовыми центрами излучателей одной ФАР относительно излучателей второй. Совмещение состоит лишь в том, что при работе одной из решеток СВЧ мощность проходит через другую, и обе решетки имеют одно поляризационное устройство. Такое конструктивное исполнение приводит к неизбежным потерям в коэффициенте усиления и искажению диаграмм направленности второй ФАР, стоящей сзади первой. Описанная ФАР не обладает свойствами адаптации ни по мощности, ни по управлению плоскостью поляризации излучаемых и принимаемых сигналов.

- Кроме того, излучатели данной ФАР (вибраторы) имеют широкую диаграмму направленности и для обеспечения отсутствия интерференционных лепестков их необходимо располагать на расстоянии d≤λ/2, где λ - длина волны, что приводит к увеличению габаритов ФАР, числа излучающих элементов и фазовращателей, а, кроме того, увеличивает стоимость ФАР и мощность, потребляемую системой управления лучом, усложняет конструкцию, соответственно снижает надежность работы. Известная ФАР формирует только два луча и только на ортогональных круговых поляризациях.

Целью изобретения является создание адаптивной ФАР, которая может формировать два независимо управляемых луча с ортогональными поляризациями поля СВЧ и коэффициентом усиления, соответствующим полному коэффициенту использования поверхности (КИП) по каждому из лучей, а также может формировать суммарный луч с удвоенной излучаемой мощностью (адаптация по мощности) и обеспечивать в этом режиме управление различными видами поляризации. Формируется луч с линейными, эллиптическими, круговыми ортогональными поляризациями, при этом все три луча одновременно работают на одной и той же частоте рабочего диапазона. Цель достигается при минимальных: стоимости ФАР и потребляемой системой управления лучами мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемой фазированной антенной решетке (ФАР), содержащей n элементов, где n больше единицы, из последовательно соединенных излучателей и управляемых фазовращателей (без дополнительных СВЧ-устройств управления поляризацией), расположенных по апертуре антенны в узлах пространственной решетки, систему возбуждения фазовращателей, связанную с приемо-передающими каналами, а также систему управления лучом, выходы которой соединены с управляющими входами фазовращателей, каждый излучатель работает на двух ортогональных поляризациях и имеет два развязанных по высокой частоте выхода, а система возбуждения состоит из двух облучателей или фидерной распределительной системы, работающей на ортогональных поляризациях, двух циркуляторов, развязывающих каналы приема и передачи, двух переключателей рода работы (один луч - два луча) и сумматора.

При этом каждый излучатель ФАР выполнен в виде антенны с продольным излучением (вибраторной, с системой директоров, диэлектрической и т.п.), работающей на ортогональных линейных поляризациях, формирующей диаграмму направленности П-образной формы и обеспечивающей полный КИП по каждой поляризации и, следовательно, полный КИП ФАР, и конструктивно представляющей собой единый излучатель, имеющий два развязанных по высокой частоте выхода, соответствующих двум ортогональным поляризациям. П-образная диаграмма направленности позволяет уменьшить число излучателей ФАР за счет подавления дифракционных лепестков ФАР, лежащих вне сектора сканирования, что существенно упрощает ФАР и уменьшает ее стоимость.

Кроме того, каждый излучатель имеет одну геометрическую ось для обеих поляризаций, совпадающие фазовые центры и совпадающие диаграммы направленности. К каждому из двух выходов одного излучателя подключается вход своего независимого управляемого фазовращателя, который управляет положением луча ФАР в пространстве.

Выходы каждого фазовращателя подключаются к соответствующим по поляризации входам излучателя, расположенного со стороны облучателей.

Выходы каждого фазовращателя подключаются к соответствующим по поляризации входам фидерных распределительных систем.

Для двух фазовращателей каждого излучателя используется система управления лучом, выполненная в виде интегральной схемы, содержащей цифровой вычислитель фаз (ЦВФ), независимо управляющая двумя фазовращателями, подключенными к двум выходам одного излучателя.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена ФАР с системой возбуждения, содержащей два облучателя, а на фиг.2 - ФАР с системой возбуждения, содержащей фидерную систему распределения.

В качестве излучающего элемента ФАР 1 используется излучатель 2а, 2в (фиг.1) и 2 (фиг.2) продольного типа (волновой канал), работающий на двух ортогональных поляризациях с достаточно высокой развязкой между каналами, который имеет совпадающие фазовые центры и совпадающие диаграммы направленности П-образной формы, обеспечивающие работу ФАР1 в заданном секторе углов и подавляющий интерференционные лепестки ФАР1. Учитывая преимущества полосковой техники, в настоящем изобретении особое внимание уделялось излучающим элементам, выполненным в виде единой конструкции из двух ортогональных печатных директорных антенн, относящихся к классу продольных излучателей, с общей продольной геометрической осью. Излучатель 2а, 2в, 2 (фиг.1 и 2) имеет два выхода с развязкой не менее 25-30 дБ. Благодаря такому конструктивному выполнению наличие двух поляризаций не приводит к увеличению размеров единичной излучающей ячейки ФАР1, не уменьшает ее сектор сканирования и позволяет получить полный коэффициент использования поверхности антенны при работе как с двумя независимыми лучами, так и при одном луче с управляемой поляризацией. Диаграммы направленности излучающего элемента 2а, 2в, 2 имеют характерную для продольных излучателей П-образную форму и стабильны по ширине. П-образная форма диаграмм направленности излучателей приводит к подавлению интерференционных лепестков решетки, что позволяет увеличить расстояние между излучателями, упростить ФАР и сделать ее более дешевой с меньшей потребляемой мощностью. Все сказанное выше может быть получено при использовании других излучателей продольного типа, например диэлектрического излучателя. Двухканальный излучающий элемент соединен с двумя фазовращателями 3а и 3в, входы которых для проходной ФАР соединяются с входами второго двухканального излучающего элемента 2в (фиг.1) либо с выходами двух распределительных фидерных систем (фидерных делителей) 4а, 4в (фиг.2). Для уменьшения линий связи на полотне ФАР1 и уменьшения времени расчета фазового распределения в ортогональных каналах управления элементы управления выполнены в виде интегральных схем 5 (фиг.1 и 2), каждая из которых содержит ЦВФ, которые размещаются в непосредственной близости от фазовращателей 3а и 3в. Система возбуждения ФАР состоит из двух облучателей 6а, 6в (фиг.1) с ортогональными поляризациями или из двух фидерных распределительных систем 4а, 4в (фиг.2), возбуждающих два ортогональных канала излучателей, двух циркуляторов 7а, 7в, развязывающих каналы приема и передачи, двух переключателей 8а, 8в в каналах приема, обеспечивающих работу в режимах одного или двух независимых лучей, и сумматора 9 приемного канала (фиг.1 и 2).

ФАР работает следующим образом. В режиме двух независимых лучей (фиг.1) СВЧ-сигналы от передающих устройств (Т1 и Т2) через циркуляторы 7а, 7в, облучатели с ортогональными поляризациями 6а, 6в, излучатели 2в поступают на независимо управляемые фазовращатели 3а и 3в, в которых с помощью системы управления лучом, выполненной в виде интегральной схемы 5, содержащей ЦВФ, устанавливаются фазы, соответствующие угловым положениям двух независимых лучей. Далее СВЧ-сигналы поступают по развязанным каналам в излучатели 2а, в апертуре формируются два независимых амплитудно-фазовых распределения, соответствующие двум независимо управляемым лучам. В режиме приема схема работы ФАР остается той же, а принятый сигнал через циркуляторы 7а, 7в и переключатели 8а, 8в поступает в приемные устройства (R1, R2, Rобщ.).

ФАР с фидерной распределительной системой (фиг.2) работает также за исключением того, что она не имеет облучателей и излучателей со стороны системы возбуждения, а СВЧ-сигнал на фазовращатели 3а, 3в поступает от двухполяризационной фидерной распределительной системы 4а, 4в.

Независимость работы двух лучей обеспечивается как ортогональностью их плоскостей поляризации, так и высокой развязкой по входам двух каналов излучателей. При работе одним лучом от когерентных и синфазных передатчиков для двух излучателей с ортогональными плоскостями поляризации создается единое фазовое распределение, определяющее угловое положение единого луча и суммирование в нем мощностей, возбуждающих каждый из каналов. Суммирование сигналов в режиме приема производится с помощью сумматора 9 (фиг.1 и 2) при соответствующих положениях переключателей 8а, 8в. Управление плоскостями поляризации излучаемых сигналов осуществляется дополнительным фазовым сдвигом постоянным для всех управляемых элементов излучателей с одной из поляризаций. Дополнительные фазовые сдвиги лежат в пределах от 0° до величины, близкой к 360°. При этом ФАР1 может работать на излучение и прием, имея ортогональные линейные, эллиптические, круговые ортогональные поляризации, что дает большие преимущества для снижения влияния разного вида помех на работу системы. Использование для управления фазовращателями 3а, 3в интегральной схемы 5, содержащей ЦВФ (фиг.1 и 2) и работающей на два ортогональных излучателя, позволяет снизить требования к производительности системы управления лучом и поляризацией.

Благодаря использованию заявленной совокупности новых признаков изобретения (двухканальный излучающий элемент с общей продольной геометрической осью, совпадающими фазовыми центрами, одинаковыми диаграммами направленности, последовательно соединенный с двумя независимо работающими фазовращателями, в непосредственной близости от которых располагается элемент управления в виде специальной интегральной схемы, содержащей ЦВФ) и использованию описанной выше системы возбуждения достигаются:

- адаптивные свойства ФАР, заключающиеся в возможности формирования на одной и той же частоте в одной апертуре двух независимо управляемых лучей с ортогональной поляризацией и с коэффициентами усиления, соответствующими полному коэффициенту использования поверхности по каждому из лучей, возможности перехода на работу суммарным лучом с удвоенной излучаемой мощностью и возможностью управления в нем поляризацией излучаемого СВЧ-сигнала (обеспечивается передача и прием СВЧ-сигнала на ортогональных линейных, эллиптических, круговых поляризациях;

- уменьшение количества излучающих и управляющих элементов;

- уменьшение потребляемой мощности за счет уменьшения числа управляемых элементов;

- уменьшение стоимости;

- повышение надежности.

Практическое использование предложенного технического решения не вызывает сомнения, так как заявляемое устройство может быть технически реализовано по известным правилам из стандартных элементов, выпускаемых промышленностью. Изготовлен и прошел испытания фрагмент предлагаемой ФАР. Испытания подтвердили достижение заявленного технического результата.

1. Фазированная антенная решетка (ФАР) с двумя независимыми лучами и управляемой поляризацией в суммарном луче при полном использовании поверхности антенны по каждому из лучей, содержащая n элементов, где n больше единицы, состоящих из последовательно соединенных излучателей и управляемых фазовращателей, расположенных по апертуре ФАР в узлах пространственной решетки, систему возбуждения фазовращателей, связанную с приемопередающими каналами, а также систему управления лучом, выходы которой соединены с управляющими входами упомянутых фазовращателей, отличающаяся тем, что в ней в качестве излучателей применены излучатели продольного типа, предназначенные для работы на ортогональных поляризациях излучаемого и принимаемого сигналов, каждый из которых конструктивно имеет два развязанных по высокой частоте выхода, соответствующих двум ортогональным поляризациям, и обеспечивает полный коэффициент использования поверхности по всем трем лучам, выходы излучателей соединены со входами независимых, развязанных по высокой частоте фазовращателей, независимо управляемых от системы управления лучом при сканировании лучей или управлении поляризацией суммарного луча, выходы фазовращателей соединены с соответствующими входами излучателей, аналогичных вышеупомянутым излучателям, расположенных со стороны системы возбуждения, состоящей из двух облучателей, работающих на ортогональных поляризациях, соответствующих двум поляризациям принимаемых или излучаемых сигналов, двух циркуляторов, развязывающих каналы приема и передачи, двух переключателей рода работы (один луч - два луча) и сумматора, при этом каждый излучатель имеет одну геометрическую ось для обеих поляризаций излучаемого или принимаемого сигнала, совпадающие фазовые центры и совпадающие диаграммы направленности.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что для двух фазовращателей каждого излучателя используется система управления лучом, выполненная в виде интегральной схемы, содержащей цифровой вычислитель фаз для независимого управления этими двумя фазовращателями при формировании двух независимо сканирующих лучей или одного суммарного луча с удвоенной излучаемой мощностью и с управляемой поляризацией.

3. Фазированная антенная решетка (ФАР) с двумя независимыми лучами и управляемой поляризацией в суммарном луче при полном использовании поверхности антенны по каждому из лучей, содержащая n элементов, где n больше единицы, состоящих из последовательно соединенных излучателей и управляемых фазовращателей, расположенных по апертуре ФАР в узлах пространственной решетки, систему возбуждения фазовращателей, связанную с приемопередающими каналами, а также систему управления лучом, выходы которой соединены с управляющими входами упомянутых фазовращателей, отличающаяся тем, что в ней в качестве излучателей применены излучатели продольного типа, предназначенные для работы на ортогональных поляризациях излучаемого и принимаемого сигналов, каждый из которых конструктивно имеет два развязанных по высокой частоте выхода, соответствующих двум ортогональным поляризациям, и обеспечивает полный коэффициент использования поверхности по всем трем лучам, выходы излучателей соединены со входами независимых, развязанных по высокой частоте фазовращателей, независимо управляемых от системы управления лучом при сканировании лучей или управлении поляризацией суммарного луча, выходы фазовращателей соединены с системой возбуждения, состоящей из фидерной распределительной системы, работающей на ортогональных поляризациях, двух циркуляторов, развязывающих каналы приема и передачи, двух переключателей рода работы (один луч - два луча) и сумматора, при этом каждый излучатель имеет одну геометрическую ось для обеих поляризаций излучаемого или принимаемого сигнала, совпадающие фазовые центры и совпадающие диаграммы направленности.

4. Антенна по п.3, отличающаяся тем, что для двух фазовращателей каждого излучателя используется система управления лучом, выполненная в виде интегральной схемы, содержащей цифровой вычислитель фаз для независимого управления этими двумя фазовращателями, при формировании двух независимо сканирующих лучей или одного суммарного луча с удвоенной излучаемой мощностью и с управляемой поляризацией.