Конструкция выходного узла передающего канала модуля фазированной антенной решетки
Владельцы патента RU 2324269:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники" (RU)
Изобретение может быть использовано в приемо-передающих модулях активных фазированных антенных решеток (АФАР) с контрольными детекторными элементами в твердотельных радиолокационных станциях. Технический результат заключается в улучшении компоновочных возможностей и уменьшении габаритов модуля, повышающих эффективность конструирования АФАР с уменьшенной длиной волны излучения, при обеспечении высоких рабочих электрических характеристик передающего канала модуля АФАР в сочетании с допускаемым уровнем потерь в нем. Сущность изобретения состоит в том, что в конструкции выходного узла передающего канала модуля АФАР, снабженного устройством ответвления от передающего тракта, подключенным к амплитудным детекторам для контроля падающей и отраженной электромагнитной волны, устройство ответвления выполнено в виде двойного направленного ответвителя на связанных микрополосковых отрезках. Двойной направленный ответвитель состоит из включенного в передающий тракт первичного центрального отрезка, питаемого на входе через согласующе-трансформирующую узкую микрополосковую полоску от передатчика и подсоединенного выходом через такую же согласующе-трансформирующую полоску с антенным элементом, и вторичных боковых отрезков, размещенных по одному по обе стороны центрального отрезка параллельно ему и соединенных каждый одним концом с расположенным по соответствующую сторону центрального отрезка амплитудным детектором для измерения падающей или отраженной электромагнитной волны и вторым концом с резистором, а также из дополнительных микрополосковых отрезков, размещенных по одному между центральным и боковым отрезками параллельно им и коротко замкнутых своими обоими концами на корпус. При этом длина центрального, бокового и дополнительного отрезков составляет величину, подбираемую для каждого отрезка из интервала , в котором λср - средняя длина волны рабочего диапазона излучения передающего канала. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области конструирования фазированных антенных решеток (ФАР) и может быть использовано в приемо-передающих модулях активных фазированных антенных решеток (АФАР) с контрольными детекторными элементами в твердотельных радиолокационных станциях (РЛС).
При разработке сверхвысокочастотных (СВЧ) модулей ФАР в составе РЛС возникает задача их миниатюризации, которая усложняется по мере укорочения длины волны излучения, особенно при создании модулей АФАР.
Действительно, основным видом линии передачи, позволяющим миниатюзировать приборы СВЧ, является несимметричная полосковая линия на диэлектрической подложке с большой относительной диэлектрической проницаемостью (см. книгу «Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток». Под ред. Д.И.Воскресенского. М., «Радиотехника», 2003, с.463). При этом габаритные размеры модулей АФАР в гибридно-интегральном или интегральном твердотельном исполнении определяются возможностью размещения их в антенной решетке при условии исключения побочных максимумов излучения во время сканирования (для чего шаг решетки не должен значительно превышать полуволновой граничной величины) и снижения общих потерь при функционировании модулей АФАР в связи с увеличением потерь в проводниках с малыми поперечными размерами и возникновением повышенных потерь в диэлектриках с большой диэлектрической проницаемостью (см. книгу «Активные фазированные антенные решетки». Под ред. Д.И.Воскресенского и А.И.Канащенкова. М., «Радиотехника», 2004, с.21).
Конструкция известного антенно-фидерного устройства (на выходе передатчика в обзорном радиолокаторе) с направленным ответвителем, выполненным для измерения и контроля высокочастотной мощности в виде двух отрезков жестких коаксиальных линий, связанных между собой через отверстие электромагнитным полем (см. книгу Ильницкого Л.Я., Болбота А.А. «Антенные устройства аэропортов гражданской авиации». М., «Транспорт», 1983, с.115-116, рис.6.7.), характеризуется ухудшенными компоновочно-габаритными характеристиками при модульном исполнении АФАР.
Наиболее близкой заявляемому изобретению (прототипом) является конструкция выходного тракта с встроенным контролем выходной мощности в виде направленного ответвителя и детектора (см. книгу «Радиопередающие устройства». Под ред. О.А.Челнокова. М., «Радио и связь», 1982, с.240) в модульном исполнении ФАР с конструктивной реализацией приемо-передающих модулей ФАР, использующих направленные ответвитель и фильтры на связанных полосковых линиях (см. книгу «Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток». Под ред. Д.И.Воскресенского. М. «Радио и связь», 1981, с.403-405, рис.23.18, 23.21 и 23.22).
Основным недостатком прототипа также являются ограниченные компоновочно-габаритные возможности микрополоскового исполнения конструкции при реализации модуля АФАР, обусловленные геометрией боковой связи направленного ответвителя, приводящей к усложнению конструкции (трехэтажности) модуля в случае уменьшения его габаритов в плоскости.
Технический результат предлагаемого изобретения - улучшение компоновочных возможностей выходного узла передающего канала в конструкции модуля ФАР и уменьшение габаритов модуля, повышающие эффективность конструирования АФАР с уменьшенной длиной волны излучения, при обеспечении высоких рабочих электрических характеристик передающего канала модуля АФАР в сочетании с допускаемым уровнем потерь в нем, а также упрощение конструкции выходного узла (за счет планарности двойного направленного ответвителя), повышающее, в свою очередь, технологичность сборки модуля.
Указанный технический результат достигается тем, что в конструкции выходного узла передающего канала модуля ФАР, снабженного устройством ответвления от передающего тракта, подключенным к амплитудным детекторам для контроля падающей и отраженной электромагнитной волны, устройство ответвления выполнено в виде двойного направленного ответвителя на связанных микрополосковых отрезках. Двойной направленный ответвитель состоит из включенного в передающий тракт первичного центрального отрезка, питаемого на входе через согласующе-трансформирующую узкую микрополосковую полоску от передатчика и подсоединенного выходом через такую же согласующе-трансформирующую полоску с антенным элементом, и вторичных боковых отрезков, размещенных по одному по обе стороны центрального отрезка параллельно ему и соединенных каждый одним концом с расположенным по соответствующую сторону центрального отрезка амплитудным детектором для измерения падающей или отраженной электромагнитной волны и вторым концом с резистором, а также из дополнительных микрополосковых отрезков, размещенных по одному между центральным и боковым отрезками параллельно им и коротко замкнутых своими обоими концами на корпус. При этом длина центрального, бокового и дополнительного отрезков составляет величину, подбираемую для каждого отрезка из интервала , в котором λср - средняя длина волны рабочего диапазона излучения передающего канала.
Для повышения технологичности изготовления двойного направленного ответвителя и согласования его элементов в частном случае реализации конструкции выходного узла двойной направленный ответвитель выполнен на основе связанных отрезков несимметричных микрополосковых линий и изготовлен методом печатной или гибридно-интегральной технологии на одной стороне микроплаты с короткозамкнутой на корпус металлизированной второй стороной. Причем дополнительные отрезки двойного направленного ответвителя имеют концевые соединения через согласующе-трансформирующие микрополосковые полоски с металлическим слоем на второй стороне микроплаты посредством гальванической связи указанных полосок с последним слоем через сквозные отверстия микроплаты или соединения этих полосок с указанным слоем с помощью фольги на торце микроплаты. При этом сопротивление резистора на одном из концов вторичных боковых отрезков двойного направленного ответвителя составляет 50 Ом.
На чертеже схематически изображена предлагаемая конструкция выходного узла передающего канала модуля ФАР.
Выходной узел передающего канала в настоящем примере его выполнения в составе модуля АФАР представляет собой микрополосковый передающий тракт 1 с встроенным в него на выходе модуля АФАР (на чертеже выходной узел передающего канала модуля АФАР условно показан в виде пунктирного прямоугольника 2) двойным направленным ответвителем 3, подключенным к расположенным по обе его стороны амплитудным детекторам 4 и 5 для контроля соответственно падающей и отраженной электромагнитной волны.
Двойной направленный ответвитель 3 выполнен на связанных отрезках несимметричных микрополосковых линий и изготовлен методом гибридной интегральной технологии на одной стороне микроплаты с короткозамкнутой на корпус металлизированной второй стороной (на чертеже вторая сторона микроплаты не показана). При этом ответвитель 3 состоит из включенного в передающий тракт 1 первичного центрального отрезка 6, питаемого на входе через согласующе-трансформирующую узкую микрополосковую полоску 7 от передатчика и соединенного выходом через такую же согласующе-трансформирующую полоску 8 с антенным элементом, и вторичных боковых отрезков 9 и 10, размещенных по одному по обе стороны центрального отрезка 6 параллельно ему и соединенных каждый одним концом (плечом 11 или 12) с амплитудным детектором 4 или 5 и вторым концом с резистором 13 или 14, а также из дополнительных микрополосковых отрезков 15 и 16, размещенных по одному между указанными центральным и боковыми отрезками параллельно им и коротко замкнутых своими обоими концами на корпус. Дополнительные отрезки 15 и 16 имеют концевые соединения соответственно через согласующе-трансформирующие микрополосковые полоски 17, 18 и 19, 20 с металлическим слоем на второй стороне микроплаты с помощью фольги 21 на торце микроплаты.
Выходной узел передающего канала работает следующим образом.
СВЧ сигнал от усилителя мощности в составе приемо-передающего модуля АФАР поступает (в режиме передачи) через первичный центральный отрезок 6 к антенному элементу решетки для излучения зондирующего импульса, а через вторичные боковые отрезки 9 и 10 к амплитудным детекторам 4 и 5 для измерения уровня мощности соответственно падающей и отраженной электромагнитной волны.
Благодаря заземлению дополнительных отрезков 15 и 16 происходит ослабление связи между первичным центральным отрезком 6 и вторичными боковыми отрезками 9 и 10, а укорочение секции из пяти связанных полосковых линий двойного направленного ответвителя 3 обеспечивает возможность уменьшения продольных и поперечных габаритов направленного ответвителя, причем выравнивание фазовых скоростей собственных волн в этой секции приводит к повышению его направленности.
Так, при опытном изготовлении заявляемого выходного узла передающего модуля АФАР в дециметровом диапазоне в виде двух плат с амплитудными детекторами 4 и 5, смонтированных по обе стороны микроплаты с двойным направленным ответвителем 3, выполненной на подложке из поликора с относительной проницаемостью ε=9,8 и толщиной 1 мм, уменьшение продольно-поперечных габаритов выходного узла в сравнении с выходным узлом на основе двойного направленного ответвителя с боковой связью без дополнительных отрезков 15 и 16 составило 1,3-1,5 раза (при габаритах двойного направленного ответвителя 3 18×8 мм). При этом в полосе частот, составляющей 15% от средней рабочей частоты, КСВ входа и выхода выходного узла составило 1,1-1,2, переходное ослабление ответвителя 3 оказалось в пределах 27,5-28,0 Дб при направленности не менее 15 Дб, развязке между плечами 11 и 12 43 Дб и общих потерях выходного узла не более 0,2 Дб.
Длины отрезков направленного ответвителя 3, а также их поперечные размеры (ширины отрезков и зазоры между ними) подбираются в результате программно-автоматизированного решения задачи оптимизации по следующим критериям: минимум КСВ при заданном переходном ослаблении и максимальной направленности направленного ответвителя 3.
Компоновочные возможности предлагаемого выходного узла улучшены в результате возможности размещения в малогабаритном приемо-передающем модуле передающего и приемного каналов в отдельном и совмещенном исполнениях.
Возможен дополнительный резерв уменьшения поперечного габарита выходного узла в результате варьирования волнового сопротивления тракта боковых каналов, позволяющего также улучшить электрические характеристики узла.
1. Конструкция выходного узла передающего канала модуля фазированной антенной решетки, снабженного устройством ответвления от передающего тракта, подключенным к амплитудным детекторам для контроля падающей и отраженной электромагнитной волны, отличающаяся тем, что устройство ответвления выполнено в виде двойного направленного ответвителя на связанных микрополосковых отрезках с включенным в передающий тракт первичным центральным отрезком, питаемым на входе через согласующе-трансформирующую узкую микрополосковую полоску от передатчика и подсоединенным выходом через такую же согласующе-трансформирующую полоску с антенным элементом, и вторичными боковыми отрезками, размещенными по одному по обе стороны центрального отрезка параллельно ему и соединенными каждый одним концом с расположенным по соответствующую сторону центрального отрезка амплитудным детектором для измерения падающей или отраженной электромагнитной волны и вторым концом с резистором, а также с дополнительными микрополосковыми отрезками, размещенными по одному между центральным и боковым отрезками параллельно им и коротко замкнутыми своими обоими концами на корпус, причем длина центрального, бокового и дополнительного отрезков составляет величину, подбираемую для каждого отрезка из интервала 
, в котором λср - средняя длина волны рабочего диапазона излучения передающего тракта.
2. Конструкция выходного узла передающего канала модуля фазированной антенной решетки по п.1, отличающаяся тем, что двойной направленный ответвитель выполнен на связанных отрезках несимметричных микрополосковых линий и изготовлен методом печатной или гибридно-интегральной технологии на одной стороне микроплаты с короткозамкнутой на корпус металлизированной второй стороной, дополнительные отрезки двойного направленного ответвителя имеют концевые соединения через согласующе-трансформирующие микрополосковые полоски с металлическим слоем на второй стороне микроплаты посредством гальванической связи указанных полосок с последним слоем через сквозные отверстия микроплаты или соединения этих полосок с указанным слоем с помощью фольги на торце микроплаты, а сопротивление резистора на одном из концов вторичных боковых отрезков двойного направленного ответвителя составляет 50 Ом.
