Распределитель для фазированной антенной решетки

Изобретение относится к волноводной СВЧ антенной технике и может быть использовано в составе распределительных систем для фазированных антенных решеток. Техническим результатом является независимое формирование оптимальных амплитудных распределений раздельно по суммарному и разностному каналам, расширение рабочего диапазона частот. Распределитель для фазированной антенной решетки состоит из СВЧ-сумматора, основных линеек направленных ответвителей, суммирующего устройства, дополнительных линеек направленных ответвителей, фазирующих секций, согласованных нагрузок и гибридных устройств. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в волноводной СВЧ-антенной технике в составе распределительных систем для фазированных антенных решеток.

Известен «Многоканальный волноводный делитель», патент на изобретение № 2158049 от 20.10.2000 г., авт. Винярская Н.А., Митин В.А., Позднякова Р.Д., Ястребов Б.П., состоящий из N направленных ответвителей, объединенных единым магистральным волноводом, и имеющий N ответвленных волноводных каналов, ориентированных под углом к оси магистрального волновода и расположенных на обоих широких стенках магистрального волновода. Недостатком приводимого решения является то, что при использовании этого делителя в составе распределительной системы, формирующей суммарно-разностные характеристики, не обеспечивается одновременное независимое формирование оптимальных амплитудных распределений по суммарному и разностному каналам.

Известна статья «Beamformer Architectures for Active Phased-Array Radar Antennas», IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol.47, № 3, March 1999, авт. Ashor K.Agrawal and Eric L.HoIzman, в которой обсуждается ряд вариантов построения диаграммообразующих схем для пассивных и активных ФАР. Основным элементом для устройств распределения и суммирования СВЧ-сигналов выбран гибридный элемент. Использование такого элемента в волноводных вариантах схем, применяемых для пассивных ФАР, приводит к существенному усложнению конструкции, увеличению габаритов и массы, что зачастую неприемлемо. Применение микрополосковых вариантов таких схем приводит к увеличению вносимых потерь на 5÷6 дБ по сравнению с волноводными.

Известен «Главный распределитель для малоразмерной ФАР с оптимизированными характеристиками излучения», «Антенны», вып. 2(93), 2005 г., авт. Позднякова Р.Д., Ястребов Б.П., Епишкина В.Н. и др., в котором приведено схемное решение по реализации способа одновременного формирования оптимальных амплитудных распределений по суммарному и разностному каналам. Недостатком приведенного технического решения является то, что формирование оптимального амплитудного распределения по разностному каналу является «зависимым» и определяется совокупностью амплитудно-фазовых характеристик двух, встроенных одну в другую, распределительных систем, объединенных элементами связи и требующих взаимной фазировки, что приводит к существенным конструктивным усложнениям.

Основным недостатком приводимого технического решения является то, что форма амплитудного распределения для разностного канала определяется совокупностью амплитудно-фазовых характеристик основных и дополнительных линеек направленных ответвителей, а также характеристик направленного ответвителя и фазирующих секций. В результате столь сложное формирование амплитудного распределения приводит к уменьшению рабочего диапазона частот, усложнению конструкции, увеличению габаритов и массы.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в том, что распределитель для фазированной антенной решетки состоит из СВЧ-сумматора, имеющего один суммарный и два разностных входа и четыре выхода, каждый из которых соединен соответственно с входом одной из четырех линеек направленных ответвителей (основных), имеющих по 2К выходов каждая и формирующих оптимальное амплитудное распределение для суммарной ДН. В одни 4К выходов линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия ответвляется, а в другие 4К выходов линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия не поступает. Кроме того, распределитель для фазированной антенной решетки состоит из суммирующего устройства с одним разностным входом и четырьмя выходами, каждый из которых соединен соответственно со входом одной из четырех дополнительных линеек направленных ответвителей, имеющих 2К выходов каждая, при этом в 4К выходов дополнительных линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия ответвляется, а в другие 4К выходов дополнительных линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия не поступает, фазирующих секций и согласованных нагрузок.

Новым в предлагаемом изобретении является то, что выходы основных и дополнительных линеек направленных ответвителей, в которые СВЧ-энергия ответвляется, попарно подключены к входам 4К гибридных устройств, причем в цепи подключения выходов основных и дополнительных линеек к гибридным устройствам в одну из цепей каждой пары включены 4К фазирующих секций. Выбор величины переходных ослаблений направленных ответвителей дополнительных линеек определяется из условия формирования на их выходах амплитудного распределения, соответствующего разностной ДН в плоскости расположения распределителя с пониженным уровнем боковых лепестков. Ко всем выходам основных и дополнительных линеек направленных ответвителей, в которые СВЧ-энергия не поступает, присоединены 8К согласованных нагрузок, причем в каждом гибридном устройстве один из двух выходов является выходом распределителя для фазированной антенной решетки, а к другому выходу присоединена согласованная нагрузка, при этом разностная ДН в плоскости расположения распределителя с пониженным уровнем боковых лепестков формируется по входу суммирующего устройства, а к входу сумматора присоединена согласованная нагрузка.

Технический результат предлагаемого решения заключается в обеспечении независимого формирования оптимальных амплитудных распределений раздельно по суммарному и разностному каналам распределителя для ФАР, в расширении рабочего диапазона частот, упрощении конструкции, сокращении габаритных размеров и массы.

Заявляемый технический результат, а именно расширение рабочего диапазона частот, получен за счет применения независимого формирования оптимальных амплитудных распределений по суммарному и разностному каналам, что обеспечено введением гибридных устройств, разделяющих распределители по функциональному назначению и, соответственно, уменьшающих их взаимное влияние и связанное с этим искажение амплитудно-фазовых характеристик в диапазоне частот.

На фиг.1 приведена функциональная схема распределителя для ФАР.

На фиг.2 приведены расчетные разностные ДН в плоскости расположения предлагаемого распределителя для ФАР в сравнении прототипом на трех частотах (f₀; f₀ - 5%; f₀ + 5%), при этом по осям ординат отложены уровни сигналов в дБ, а по осям абсцисс - угловое положение в градусах.

Распределитель для ФАР состоит из четырех основных 1 и четырех дополнительных 2 линеек направленных ответвителей, каждая из которых, в свою очередь, состоит из К направленных ответвителей 5 и К согласованных нагрузок 6. В распределитель для ФАР также входят 4К фазирующих секций 3, 4К гибридных устройств 4 и 4К нагрузок гибридных устройств 7, а также СВЧ-сумматор 8, имеющий один суммарный (Вх.Σ) и два разностных (Вх.УМ и Вх.АЗ) входа с нагрузкой 9, соединенных Вх.УМ, и суммирующее устройство 10.

Выходы основных 1 и дополнительных 2 линеек направленных ответвителей, в которые ответвляется СВЧ-энергия, соединены попарно со входами гибридных устройств 4, в каждом из которых один из выходов является одним из выходов распределителя для ФАР, а к другому присоединена согласованная нагрузка 7. При этом в каждой паре в одну из цепей подключения выходов основных 1 и дополнительных 2 линеек направленных ответвителей к гибридному устройству 4, определяемую из условия обеспечения требуемых фаз на входе гибридного устройства, включена фазирующая секция 3. Входы основных 1 и дополнительных 2 линеек направленных ответвителей соединены соответственно с выходами СВЧ-сумматора 8 и суммирующего устройства 10, при этом к разностному входу СВЧ-сумматора «Вх.УМ» присоединена согласованная нагрузка 9.

Предлагаемый распределитель для ФАР работает следующим образом. При работе «на передачу», при подаче сигнала на Bx.Σ СВЧ-сумматора 8, происходит распределение его по входам основных линеек направленных ответвителей 1 и затем в каждой из линеек на ее выходах формируется амплитудное распределение, оптимальное для суммарной ДН и определяемое выбором величины переходных ослаблений направленных ответвителей 5. Далее сигналы с выходов линеек направленных ответвителей 1 поступают на входы гибридных устройств 4 и потом, в соответствии с выбранным коэффициентом деления гибридного устройства 4, части от сигналов (большие) поступают на выходы распределителя для ФАР, а другие части от сигналов (меньшие) поступают на согласованные нагрузки 7.

При работе «на прием», при поступлении сигналов от раскрыва антенны на выходы распределителя для ФАР, происходит разделение их в гибридных устройствах 4 на две части - большие, поступающие на выходы основных линеек направленных ответвителей 1 с последующим суммированием их в этих линейках, имеющих амплитудные распределения, оптимальные для формирования суммарной ДН, и меньшие, поступающие на выходы дополнительных линеек направленных ответвителей 2 с последующим суммированием их в этих линейках, имеющих амплитудные распределения, оптимальные для формирования разностной ДН в плоскости расположения распределителя для ФАР. Далее сигналы от входов основных линеек направленных ответвителей 1 поступают в СВЧ-сумматор 8 и формируют на его входах сигналы, соответствующие суммарной и одной разностной ДН (для плоскости, перпендикулярной плоскости расположения распределителя для ФАР), а сигналы от входов дополнительных линеек направленных ответвителей 2 поступают в суммирующее устройство 10 и формируют на его входе сигнал, соответствующий разностной ДН с пониженным уровнем боковых лепестков в плоскости расположения распределителя для ФАР.

Таким образом, технико-экономические преимущества предлагаемого решения заключаются в расширении рабочего диапазона частот в части формирования устойчивой разностной ДН с низким уровнем боковых лепестков в плоскости расположения распределителя для ФАР, упрощении конструкции и уменьшении продольного размера и массы за счет исключения из схемы элементов, связывающих и фазирующих между собой СВЧ-сумматор и суммирующее устройство.

Результаты практической реализации предложенного технического решения не вызывают сомнения.

В предлагаемом распределителе для ФАР следует ожидать:

1. По данным математического моделирования, рабочий диапазон частот, в котором обеспечивается формирование устойчивой разностной ДН с низким уровнем боковых лепестков, расширен на 30÷40%.

2. Продольный габаритный размер уменьшен на 10%.

3. Масса распределителя для ФАР уменьшена на 10%.

Распределитель для фазированной антенной решетки, состоящий из СВЧ-сумматора, имеющего один суммарный и два разностных входа и четыре выхода, каждый из которых соединен соответственно с входом одной из четырех линеек направленных ответвителей, имеющих по 2К выходов каждая и формирующих оптимальное амплитудное распределение для суммарной ДН, при этом в одни 4К выходов линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия ответвляется, а в другие 4К выходов линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия не поступает, а также суммирующего устройства с одним разностным входом и четырьмя выходами, каждый из которых соединен соответственно с входом одной из четырех дополнительных линеек направленных ответвителей, имеющих 2К выходов каждая, при этом в 4К выходов дополнительных линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия ответвляется, а в другие 4К выходов дополнительных линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия не поступает, а также фазирующих секций и согласованных нагрузок, отличающийся тем, что выходы основных и дополнительных линеек направленных ответвителей, в которые СВЧ-энергия ответвляется, попарно подключены к входам 4К гибридных устройств, причем в цепи подключения выходов основных и дополнительных линеек к гибридным устройствам в одну из цепей каждой пары включены 4К фазирующих секций, при этом выбор величины переходных ослаблений направленных ответвителей дополнительных линеек определяется из условия формирования на их выходах амплитудного распределения, соответствующего разностной ДН в плоскости расположения распределителя с пониженным уровнем боковых лепестков, а ко всем выходам основных и дополнительных линеек направленных ответвителей, в которые СВЧ-энергия не поступает, присоединены 8К согласованных нагрузок, причем в каждом гибридном устройстве один из двух выходов является выходом распределителя для ФАР, а к другому выходу присоединена согласованная нагрузка, при этом разностная ДН в плоскости расположения распределителя с пониженным уровнем боковых лепестков формируется по входу суммирующего устройства, а к разностному входу сумматора Вх.УМ присоединена согласованная нагрузка.