Пространственная приемопередающая фазированная антенная решетка (варианты)

Изобретение относится к антенной технике. Технический результат - создание активной антенной решетки с минимальным числом управляемых фазовращателей. Для этого, на примере одного из вариантов, предлагается пространственная приемопередающая фазированная антенная решетка, выполненная в виде матрицы и содержащая задающий смеситель, на который подаются сигналы задающих частот f и Δf, выходные сигналы служебных частот f₁=f+Δf и f₂=f-Δf которого через соответствующие фазовращатели подаются соответственно на строки и столбцы матрицы, в точках пересечения строк и столбцов матрицы расположены смесители, выходы каждого из которых соединены с соответствующим циркулятором, подключенным через соответствующий приемный усилитель с первым входом гетеродинного смесителя, на второй вход которого поступает частота гетеродина, а выход соединен с первым входом приемного смесителя, второй вход приемного смесителя соединен с выходом соответствующего смесителя, при этом выходы приемных смесителей соединены с устройством суммирования сигналов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к активным пространственным фазированным антенным решеткам (ФАР), и может быть использовано при создании антенн с не механическим качанием луча антенны.

Известны фазированные антенные решетки, схемы с фазировкой на промежуточной частоте и схемы с двойным преобразованием частоты (Книга Бененсона и др. "Антенные решетки", стр.184-187).

Однако недостатком приведенных в книге схем является тот факт, что хотя в приведенных в ней схемах рис.5.11 и рис.5.12 используются смесители для сложения фаз от разных гетеродинов и производится преобразование частоты, но в этих схемах используются гетеродин с качающейся частотой и частотно-зависимые линии задержки, при этом сложение фаз от строк и столбцов плоской антенной решетки невозможно.

Известные устройства, описанные в патентах US 6831600, H 01 Q 3/26, 14.12.2004, WO 03015212, H 01 Q 3/26, 20.02.2003, JP 2002158528, H 01 Q 3/26, 31.05.2002, обладают теми же недостатками.

Другие схемы формирования необходимого фазового распределения в раскрыве фазированной антенной решетки приведены в книге А.С.Лаврова и Г.Б.Резникова "Антенно-фидерные устройства". В разделе 15.3 этой книги показаны схемы запитки излучателей для получения необходимых фазовых задержек. Как видно из рис.15.3 и 15.4, число управляющих фазовращателей плоской антенной фазированной решетки равно числу ее излучателей. Для прямоугольной плоской антенной решетки, имеющей N строк и М столбцов, общее число излучателей будет равно произведению числа строк на число столбцов, а суммарное число К фазовращателей равно К=N·M.

Недостатком данных устройств является большое число управляемых фазовращателей.

Частично данный недостаток устранен в техническом решении, характеризующем устройство управления положением луча фазированной антенной решетки (ФАР), содержащее N каналов, включающих первые смесители, входы которых соединены с излучателями ФАР, а начиная с третьего канала - вторые и третьи смесители, при этом гетеродинные входы первых смесителей соединены с выходами соответствующих вторых смесителей, гетеродинные входы которых соединены с выходами соответствующих третьих смесителей, блок управления, первый кварцевый генератор, сумматор мощности, входы которого соединены с выходами первых смесителей соответствующих каналов, а выход является выходом ФАР, а также управляемый фазовращатель, четвертый и пятый смесители, второй кварцевый генератор, выход которого соединен с первыми входами четвертого и пятого смесителей, выход первого кварцевого генератора соединен с гетеродинным входом первого смесителя первого канала, входом фазовращателя и вторым входом четвертого смесителя, выход фазовращателя соединен с гетеродинным входом первого смесителя второго канала, сигнальным входом третьего смесителя третьего канала и вторым входом пятого смесителя, выход пятого смесителя соединен с гетеродинными входами третьих смесителей всех каналов, начиная с третьего, сигнальные входы третьих смесителей n-x каналов соединены попарно, начиная с четвертого канала (SU 1406676, H 01 Q 3/26, 30.06.1988).

Однако данное устройство представляет собой линейную (не пространственную) антенную решетку, следуя логике ее построения, невозможно создать пространственную фазированную решетку с минимальным числом управляемых фазовращателей.

Технический результат устройств заключается в создании активной антенной решетки с минимальным числом управляемых фазовращателей.

Для достижения указанного технического результата предлагается пространственная приемопередающая фазированная антенная решетка, выполненная в виде матрицы и содержащая задающий смеситель, на который подаются сигналы задающих частот f и Δf, выходные сигналы служебных частот f₁=f+Δf и f₂=f-Δf которого через соответствующие фазовращатели подаются соответственно на строки и столбцы матрицы, в точках пересечения строк и столбцов матрицы расположены смесители, выходы каждого из которых соединен с входом соответствующего передающего усилителя, выход которого соединен с соответствующим циркулятором, подключенным через соответствующий приемный усилитель с первым входом гетеродинного смесителя, на второй вход которого поступает частота гетеродина, а выход соединен с первым входом приемного смесителя, второй вход приемного смесителя соединен с выходом соответствующего смесителя, при этом выходы приемных смесителей соединены с устройством суммирования сигналов, а также в качестве варианта - пространственная приемопередающая фазированная антенная решетка, выполненная в виде матрицы и содержащая задающий смеситель, на который подаются сигналы задающих частот f и Δf, выходные сигналы служебных частот f₁=f+Δf и f₂=f-Δf которого через соответствующие фазовращатели подаются соответственно на строки и столбцы матрицы, в точках пересечения строк и столбцов матрицы расположены смесители, выходы каждого из которых соединены соответственно с первым входом передающего гетеродинного смесителя и первым входом приемного смесителя, выход передающего смесителя соединен через передающий усилитель с циркулятором, который соединен через приемный усилитель с первым входом приемного гетеродинного смесителя, выход которого соединен со вторым входом приемного смесителя, при этом на вторые входы приемного и передающего смесителей подаются соответственно сигналы с частотой гетеродина и частотой передатчика путем воздушной запитки.

На фиг.1 и 2 изображены соответственно функциональные схемы пространственных приемопередающих фазированных антенных решеток согласно соответственно пп.1 и 2 формулы изобретения.

На фиг.1 пространственная приемопередающая фазированная антенная решетка содержит 1₁-1_N - фазовращатели строк, 2₁-2_М - фазовращатели столбцов, 3 - задающий смеситель, 4₁-4_N - смесители излучателей, 5 - распределитель служебного сигнала строк, 6 - распределитель служебного сигнала столбцов, 7 - сумматор приемных сигналов, 8 - гетеродин, 9 - приемный смеситель, 10 - гетеродинный смеситель, 11 - приемный усилитель, 12 - передающий усилитель, 13 - циркулятор.

На фиг.2 пространственная приемопередающая фазированная антенная решетка содержит 1₁-1_N - фазовращатели строк, 2₁-2_М - фазовращатели столбцов, 3 - задающий смеситель, 4₁-4_N - смесители излучателей, 5 - распределитель служебного сигнала строк, 6 - распределитель служебного сигнала столбцов, 7 - устройство суммирования сигналов, 8 - приемный смеситель, 9 - передающий гетеродинный смеситель, 10 - приемный гетеродинный смеситель, 11 - приемный усилитель, 12 - передающий усилитель, 13 - циркулятор.

Антенная решетка на фиг.1 работает следующим образом. Сигналы служебных частот строки f₁=f+Δf и столбца f₂=f-Δf получаются на одном задающем смесителе 3.

На каждый элемент решетки поступают сигналы служебных частот с фазой:

- строки Ψ₁=f₁t+ϕ₁

- столбца Ψ₂=f₂t+ϕ₂,

где ϕ₁ и ϕ₂ - требуемые для качания луча антенны фазовые сдвиги по строкам и столбцам.

На элементе решетки сигналы служебных частот складываются на соответствующем смесителе 4 и перед излучением усиливаются.

Перед излучателем устанавливается циркулятор 13 или переключатель, подключающий приемную часть элемента решетки к излучателю в режиме приема сигнала.

Принятый сигнал имеет фазу: Ψ_пр=F_пр t-ф₁-ф₂. Для компенсации фазовой задержки (ф1-ф2) принятого элементом решетки сигнала используются приемный смеситель 9 и гетеродинный смеситель 10.

Получаемый после гетеродинного смесителя 10 сигнал с фазой Ψ₂=(F_пр-F_г)t-ф₁-ф₂ поступает на приемный смеситель 9, где суммируется с сигналом, поступающим со смесителя 4.

На выходе приемного смесителя 9 получается сигнал F_пр-F_г+2f без фазовых задержек, который может суммироваться в устройстве суммирования сигналов 7 синфазно со всех элементов решетки.

Антенная решетка на фиг.2 работает аналогичным образом, однако осуществляется эфирная запитка сигнала для формирования несущей частоты в режиме передачи и эфирной подачей сигнала гетеродина в режиме приема.

В этой схеме сигнал после смесителя 4 поступает на передающий гетеродинный смеситель 9, где смешивается с сигналом F воздушной (эфирной) запитки без использования проводников. Сигнал суммарной частоты, равной F+f₁+f₂ c фазой Ψ=(F+f₁+f₂)1+ф₁+ϕ₂, усиливается передающим усилителем 12 и излучается излучателем.

Принятый элементом решетки сигнал, имеющий фазу

Ψ=(F_пр)t-ф₁-ф₂, смешивается с частотой F_r в гетеродинном смесителе 10.

Сигнал с выхода смесителя 10 частоты F_пр-F_г и фазы - ф₁-ф₂ поступает на приемный смеситель 8, где складывается с сигналом, поступающим с смесителя 4.

С выхода приемного смесителя 10 получается сигнал частоты F_пр-F_г+2f, который уже не несет информации о сдвиге фаз в элементах решетки, вносимых изменением направления суммарной диаграммы направленности решетки.

Таким образом, при минимальном числе управляемых фазовращателей осуществляются прием и передача сигналов.

1. Пространственная приемопередающая фазированная антенная решетка, выполненная в виде матрицы и содержащая задающий смеситель, на который подаются сигналы задающих частот f и Δf, выходные сигналы служебных частот f₁=f+Δf и f₂=f-Δf которого через соответствующие фазовращатели подаются соответственно на строки и столбцы матрицы, в точках пересечения строк и столбцов матрицы расположены смесители, выходы каждого из которых соединены с входом соответствующего передающего усилителя, выход которого соединен с соответствующим циркулятором, подключенным через соответствующий приемный усилитель с первым входом гетеродинного смесителя, на второй вход которого поступает частота гетеродина, а выход соединен с первым входом приемного смесителя, второй вход приемного смесителя соединен с выходом соответствующего смесителя, при этом выходы приемных смесителей соединены с устройством суммирования сигналов.

2. Пространственная приемопередающая фазированная антенная решетка, выполненная в виде матрицы и содержащая задающий смеситель, на который подаются сигналы задающих частот f и Δf, выходные сигналы служебных частот f₁=f+Δf и f₂=f-Δf которого через соответствующие фазовращатели подаются соответственно на строки и столбцы матрицы, в точках пересечения строк и столбцов матрицы расположены смесители, выходы каждого из которых соединены соответственно с первым входом передающего гетеродинного смесителя и первым входом приемного смесителя, выход передающего гетеродинного смесителя соединен через передающий усилитель с циркулятором, который соединен через приемный усилитель с первым входом приемного гетеродинного смесителя, выход которого соединен со вторым входом приемного смесителя, при этом на вторые входы приемного и передающего смесителей подаются соответственно сигналы с частотой гетеродина и частотой передатчика путем воздушной запитки.