Комплекс с многоэлементной фазированной антенной решеткой

Изобретение относится к системам управления лучом фазированных антенных решеток (ФАР) и может быть использовано при создании ФАР с беспроводной открытой оптической командной системой формирования диаграммы направленности и управления лучом, а также ФАР повышенной надежности в части системы управления лучом. Технический результат - повышение надежности при одновременном упрощении устройства. Комплекс содержит управляющую цифровую вычислительную систему с последовательным интерфейсом управления, снабженную оптическими приемопередатчиками для организации двухсторонней открытой оптической связи с устройствами управления приемопередающих каналов ФАР, также снабженными оптическими приемопередатчиками. Предлагаемая беспроводная оптическая система для управления лучом ФАР может быть использована для любых типов антенных решеток - пассивных/активных, для любых одноканальных/многоканальных приемопередающих модулей активных ФАР и может найти применение во вращающихся переходах с вращающимся, например антенным, полотном. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к системам управления лучом фазированных антенных решеток (ФАР) и может быть использовано при создании ФАР с беспроводной открытой оптической командной системой формирования диаграммы направленности и управления лучом, а также ФАР повышенной надежности в части системы управления лучом.

Известен комплекс с многоэлементной ФАР [1], содержащий управляющую центральную электронную вычислительную машину (ЭВМ) с последовательным интерфейсом управления ФАР, ячейку управления лучом, сопрягающую интерфейсы по входным/выходным каналам, ячейки расчета фаз для вычисления фазовых сдвигов антенных элементов, собственно саму ФАР отражательного типа, состоящую из излучающих элементов, фазовращателей и элементов их управления.

Недостатком данного комплекса является множество различных устройств преобразования интерфейсов, начиная от центральной ЭВМ, заканчивая ячейкой расчета фаз. Такие преобразования интерфейсов сопряжены с аппаратурными и временными затратами, снижающими габаритно-весовые и скоростные характеристики комплекса.

Известны принципы построения активных ФАР, отраженные в работе [2], где ФАР, состоящая из антенных излучателей, соединенных соответственно с приемопередающими модулями, выполненными с использованием управляемых фазовращателей, аттенюаторов и различных СВЧ-узлов, содержит устройство управления, снабженное входным последовательным интерфейсом и соединенное своими соответствующими управляющими выходами с узлами по меньшей мере каждого приемопередающего модуля ФАР.

Недостатком предлагаемых принципов построения ФАР, в части управления лучом, является большое количество управляющих проводников, а также возникающие при этом преобразования интерфейсов, начиная от управляющей центральной вычислительной системы (ЦВС) до устройств управления приемопередающими каналами ФАР.

Наиболее близким известным аналогом, принятым в качестве прототипа предлагаемого изобретения, является комплекс с многоэлементной ФАР [3], содержащий управляющую ЦВС с интерфейсом управления лучом ФАР, собственно саму ФАР, состоящую из антенных излучателей, соединенных соответственно с приемопередающими каналами, выполненными на управляемых фазовращателях и других СВЧ-узлах, блок управления лучом, снабженный входным интерфейсом управления и соединенный через устройства управления с соответствующими управляющими входами узлов, по меньшей мере, каждого приемопередающего канала ФАР.

Недостатком прототипа является большое количество управляющих сигнальных проводников, соединяющих входы устройств управления приемопередающих каналов ФАР с блоком управления лучом, усложняющих их компоновку при построении многоэлементных ФАР, особенно с малым межэлементным расстоянием, например антенных комплексов миллиметрового диапазона, а также наличие избыточных аппаратных средств преобразования интерфейсов. Следует отметить еще один общий недостаток всех проводных систем передачи данных по общей шине от единой центральной управляющей системы на множество программно ведомых устройств управления, заключающийся в том, что выход из строя входного элемента любого из устройств управления может привести к отказу, блокирующему работу общей шины передачи данных. Устройства управления приемопередающими каналами ФАР обычно не резервируются, принято резервировать общую управляющую систему с ее интерфейсами. Однако такая схема резервирования улучшает показатели надежности комплекса, связанные только с отказом общей управляющей системы. Поэтому приходится увеличивать количество сигнальных проводников на каждое устройство управления или на группу устройств, принимая радиальную структуру соединений. Кроме того, все системы управления лучом с применением сигнальных проводников или волоконно-оптических линий связи не могут быть применены в системах с механическим перемещением антенной решетки относительно ЦВС.

Целью данного изобретения является исключение электрических сигнальных проводников или оптических волокон командной линии системы управления лучом ФАР от ЦВС до устройства управления приемопередающих каналов ФАР, повышение показателей надежности комплекса в части системы управления лучом и уменьшение ее массогабаритных параметров.

Указанная цель достигается тем, что последовательный интерфейс управления ЦВС снабжен оптическими приемопередатчиками для беспроводного управления лучом ФАР и ее контроля, светодиодные излучающие элементы которого соединены через кодер с выходом последовательного интерфейса управления ЦВС, кроме того, выходы дискретных сигналов фотоприемников оптического сигнала, упомянутого оптического приемопередатчика, соединены через объединяющую схему с входом декодера, выход которого соединен с входом последовательного интерфейса управления ЦВС, кроме этого, каждое устройство управления ФАР дополнительно снабжено оптическим приемопередатчиком, светодиодный излучающий элемент которого соединен через кодер с выходом последовательного интерфейса устройства управления ФАР, при этом выход фотоприемника оптического сигнала, указанного оптического приемопередатчика, соединен с входом декодера, выход которого соединен с входом упомянутого последовательного интерфейса устройства управления ФАР.

Кроме того, указанная цель достигается тем, что количество светодиодных излучающих элементов оптического приемопередатчика ЦВС определяется и конструктивно размещено в составе комплекса с учетом конструктивного расположения приемопередающих каналов ФАР с устройствами управления, для получения необходимой области пространства с перекрывающимися диаграммами направленности излучающих оптических сигналов, охватывающих все фотоприемники упомянутых оптических приемопередатчиков устройства управления приемопередающих каналов ФАР для устойчивого приема передаваемых оптических сигналов от ЦВС.

Кроме этого, указанная цель достигается тем, что количество фотоприемников оптического сигнала упомянутых приемопередатчиков ЦВС определяется и конструктивно размещено в составе комплекса с учетом конструктивного расположения приемопередающих каналов ФАР с устройствами управления для получения необходимой области пространства с перекрывающимися диаграммами направленности фотоприемников оптических сигналов, устойчиво принимающих оптический сигнал от любого светодиодного излучающего элемента из упомянутых оптических приемопередатчиков устройства управления приемопередающего канала ФАР.

Кроме того, указанная цель достигается тем, что устройства управления приемопередающих каналов ФАР содержат цифровой процессор данных для автономного вычисления требуемых фазовых сдвигов антенных излучающих элементов ФАР.

Кроме этого, указанная цель достигается тем, что упомянутый оптический приемопередатчик ЦВС дублируется резервными комплектами оптических приемопередатчиков, входы/выходы дискретных сигналов которых соответственно соединены с выходами/входами резервных комплектов последовательных интерфейсов управления ЦВС.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый комплекс с фазированной антенной решеткой отличается отсутствием управляющих проводников от ЦВС до устройств управления приемопередающими каналами ФАР и наличием беспроводной системы передачи данных на основе открытой оптической линии связи. При этом использование беспроводной системы передачи данных в заявляемом комплексе позволяет повысить надежность его функционирования в части системы управления лучом и уменьшить габаритно-весовые параметры ФАР.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Сведений об известности отличительных признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемого устройства, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена функциональная схема комплекса с ФАР в части системы управления лучом, выполненная согласно изобретению.

Комплекс с ФАР содержит управляющую ЦВС 1 с последовательным интерфейсом 2, выход которого через кодер 3 соединен со светоизлучающими диодами 4 оптического приемопередатчика 5, где выходы дискретных сигналов фотоприемников 6 оптического сигнала соединены с входами объединяющей схемы 7, выход которой через декодер 8 соединен с входом последовательного интерфейса 2 управляющей ЦВС 1. Фазированная антенная решетка 9 предлагаемого комплекса содержит антенные излучатели 10, соответственно соединенные с приемопередающими каналами ФАР 11, входы/выходы управления которого соответственно соединены с выходами/входами устройства управления 12 с последовательным интерфейсом 13, при этом выход интерфейса 13 через кодер 14 соединен со светодиодным излучающим элементом 15 оптического приемопередатчика 16, где выход дискретного сигнала фотоприемника оптического сигнала 17 соединен через декодер 18 с входом последовательного интерфейса 13 устройства управления 12.

Предложенный комплекс работает следующим образом. Известно [4], что для установки оси луча антенны 9 в направлении θ_x, θ_у фазируемый элемент 10 антенны с номером mn, находящийся на пересечении m-й строки и n-го столбца, должен излучать электромагнитные колебания с фазой

где Δϕ_х=(2πd_x/λ)Cosθ_х; Δϕ_y=(2πd_y/λ)Cosθ_y; d_x и d_y - расстояния между столбцами и строками; λ - длина волны; F_{m n} - индивидуальная фазовая поправка данного фазируемого элемента 10 для коррекции и изменения фазового распределения в апертуре ФАР. Система управления лучом любой ФАР осуществляет реализацию приведенного выше алгоритма (1). В соответствии с приведенной схемой управляющая ЦВС 1 комплекса для управления лучом ФАР 9 формирует командную посылку, содержащую величины Δϕ_х и Δϕ_у и поступающую на кодер 3 оптического приемопередатчика 5. Кодер 3 в соответствии с принятым протоколом обмена, например IrDA, осуществляет преобразование последовательности, поступающих символов в импульсы для оптических сигналов, формируемых светодиодными излучающими элементами 4. Взаимно перекрывающиеся диаграммы направленности оптических сигналов излучающих элементов 4 охватывают все фотоприемники оптических сигналов 17 ФАР 9. Принятые фотоприемниками 17 командные посылки через декодер 18, преобразованные и восстановленные в соответствии с протоколом IrDA, поступают по интерфейсу 13 на устройство управления 12 приемопередающего канала 11 ФАР 9 комплекса. Принятая устройством управления 12 командная посылка на установку оси луча в заданное положение пространства в соответствии с величинами Δϕ_х, Δϕ_y алгоритма (1) дает возможность устройству управления 12, используя цифровой процессор данных, вычислить собственный фазовый сдвиг данного канала 11 антенной решетки 9. При этом предполагается, что номер mn данного антенного излучателя 10 в апертуре ФАР 9 и величина фазовой поправки F_{m n} предварительно определены и хранятся в долговременной памяти устройства 12. Таким образом, каждый приемопередающий канал 11, приняв единую для всех командную посылку по оптической линии связи, вычисляет требуемый свой фазовый сдвиг ϕ_{m n}, чтобы получилось соответствующее фазовое распределение в раскрыве антенной решетки 9, устанавливающее направление оси луча θ_х, θ_y. Каждый канал 11 антенной решетки, имея свой индивидуальный номер (адрес) в соответствии с протоколом командно-информационного обмена, доступен со стороны ЦВС 1 для чтения и записи информации. По запросу от ЦВС любой канал 11 ФАР 9 формирует ответную информационную посылку, которую последовательный интерфейс 13 устройства управления 12 через кодер 14, излучает в виде оптических импульсов с помощью светодиодного излучающего элемента 15 оптического приемопередатчика 16 данного канала. Оптические сигналы от светодиодного излучающего элемента 15 ФАР принимаются одновременно несколькими фотоприемниками 6 ЦВС 1, находящимися в зоне оптического излучения светодиодного излучающего элемента 15. Выходные дискретные сигналы от фотоприемников 6 через объединяющую схему 7 поступают в виде одного обобщенного сигнала на декодер 8, который своим выходом соединен с входом последовательного интерфейса 2 управляющей ЦВС 1 комплекса. Объединяющая схема 7 оптического приемопередатчика 5 предназначена для получения на выходе дискретного сигнала от множества входных сигналов, отличающихся друг от друга длительностью импульсов и возможной временной задержкой. Это обусловлено тем, что фотоприемники 6 расположены таким образом, чтобы, по крайней мере, один из фотоприемников 6 мог бы принять сигнал оптического излучения любого излучающего элемента 15 ФАР, а это создает условия для приема оптического сигнала другими соседними фотоприемниками 6. Величина амплитуды принятых сигналов отдельных фотоприемников 6 и их скоростные характеристики могут отличаться друг от друга, что может привести на выходах фотоприемников 6 импульсов различной длительности и временного положения. В простейшем варианте исполнения объединяющая схема 7 представляет собой известную логическую схему ИЛИ. В более усложненном варианте исполнения схема 7 может выполнять функции обработки принятых сигналов для получения на выходе схемы 7 импульсов, например, усредненной длительности и временного положения. Декодер 8 оптического приемопередатчика 5 ЦВС в соответствии с принятым протоколом обмена информацией осуществляет преобразование поступающей последовательности в необходимую последовательность импульсов для ввода информации через интерфейс 2 в ЦВС 1 комплекса.

Таким образом, ЦВС посредством открытой оптической линии связи управляет лучом антенной решетки, также получая ответную информацию от приемопередающих каналов ФАР, выполняет функциональный контроль состояния узлов антенной решетки. При работе оптических приемопередатчиков 16 антенной решетки 9 исключаются взаимные влияния отказов элементов оптических приемопередатчиков 16, так как средой передачи информации является открытое пространство, а не проводная связь. Аналогичная ситуация происходит и с оптическими приемопередатчиками 5 управляющей ЦВС 1, что позволяет использовать методы многократного дублирования их для повышения параметров надежности функционирования системы управления лучом ФАР.

Предлагаемая беспроводная оптическая система для управления лучом многоэлементных фазированных антенных решеток позволяет:

- исключить полностью управляющие проводники от ЦВС до устройств управления каналами ФАР и обеспечить двухсторонний полноформатный обмен информацией;

- повысить надежностные характеристики ФАР в части системы управления лучом;

- уменьшить массогабаритные параметры ФАР не только из-за экономии управляющих проводников, но и из-за использования одного типа интерфейса.

Предлагаемая беспроводная оптическая система для управления лучом ФАР может быть использована для любых типов антенных решеток - пассивных/активных, для любых одноканальных/многоканальных приемопередающих модулях активных ФАР и может найти применение во вращающихся переходах с вращающимся, например антенным, полотном. Количество оптических приемопередатчиков ЦВС и устройств управления ФАР, их относительное расположение определяются конкретным конструктивным исполнением антенной решетки и всего комплекса.

Проведенные макетные работы с элементами, узлами оптических приемопередатчиков инфракрасного диапазона на скорости передачи данных 115,2 Кбит/с и удалении друг от друга до 1 м показали работоспособность предлагаемого изобретения.

1. Комплекс с многоэлементной фазированной антенной решеткой (ФАР), содержащий центральную вычислительную систему (ЦВС) с последовательным интерфейсом для управления лучом ФАР и ее контроля, фазированную антенную решетку, состоящую из антенных излучателей, соединенных соответственно с приемопередающими каналами, выполненными, например, на управляемых фазовращателях, аттенюаторах и других СВЧ-узлах, устройств управления, снабженных последовательным интерфейсом управления и соединенных своими соответствующими управляющими выходами с узлами, по меньшей мере, каждого приемопередающего канала ФАР, отличающийся тем, что упоминаемый последовательный интерфейс управления ЦВС снабжен оптическими приемопередатчиками для беспроводного управления лучом ФАР и ее контроля, светодиодные излучающие элементы которого соединены через кодер с выходом последовательного интерфейса управления ЦВС, кроме того, выходы дискретных сигналов фотоприемников оптического сигнала упомянутого оптического приемопередатчика соединены через объединяющую схему с входом декодера, выход которого соединен с входом последовательного интерфейса управления ЦВС, кроме этого, каждое устройство управления ФАР дополнительно снабжено оптическим приемопередатчиком, светодиодный излучающий элемент которого соединен через кодер с выходом последовательного интерфейса устройства управления ФАР, при этом выход фотоприемника оптического сигнала, указанного оптического приемопередатчика, соединен с входом декодера, выход которого соединен с входом упомянутого последовательного интерфейса устройства управления ФАР.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что количество светодиодных излучающих элементов оптического приемопередатчика ЦВС определяются и конструктивно размещены в составе комплекса с учетом конструктивного расположения приемопередающих каналов ФАР с устройствами управления для получения необходимой области пространства с перекрывающимися диаграммами направленности излучающих оптических сигналов, охватывающих все фотоприемники, упомянутых оптических приемопередатчиков устройства управления приемопередающих каналов ФАР для устойчивого приема передаваемых оптических сигналов от ЦВС.

3. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что количество фотоприемников оптического сигнала упомянутого приемопередатчика ЦВС определяются и конструктивно размещены в составе комплекса с учетом конструктивного расположения приемопередающих каналов ФАР с устройствами управления для получения необходимой области пространства с перекрывающимися диаграммами направленности фотоприемников оптических сигналов, устойчиво принимающих оптический сигнал от любого светодиодного излучающего элемента из упомянутых оптических приемопередатчиков устройства управления приемопередающего канала ФАР.

4. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что устройства управления приемопередающих каналов ФАР содержат цифровой процессор данных для автономного вычисления требуемых фазовых сдвигов антенных излучающих элементов ФАР.

5. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что упомянутый оптический приемопередатчик ЦВС дублируется резервными комплектами оптических приемопередатчиков, входы/выходы дискретных сигналов которых соответственно соединены с выходами/входами резервных комплектов последовательных интерфейсов управления ЦВС.