Двумерная моноимпульсная антенна с электронным управлением лучом

Изобретение относится к радиотехнической промышленности и может быть использовано в СВЧ антенной технике в составе антенных решеток различного назначения. Техническим результатом является упрощение конструкции и обеспечение работы только с одним независимо сканирующим лучом. Устройство состоит из линеек излучателей, фазовращателей и распределительной системы, выполненной из распределителей первого типа, входы которых соединены с соответствующими выходами распределителя второго типа, входы которых соединены, соответственно, с выходами основного и дополнительного СВЧ-сумматоров, соединенных между собой по одному разностному входу через фазирующие секции и направленный ответвитель. В каждом канале между выходами линеек распределителей первого типа и фазовращателями, а также между фазовращателями и соответствующими каналами линеек излучателей двумя своими плечами присоединены циркуляторы, третьи плечи циркуляторов присоединены к разделяющим устройствам таким образом, что сигналы от линеек излучателей через циркуляторы поступают на выходы разделяющих устройств, одни из входов которых через дополнительные фазовращатели соединены с выходами линеек распределителей первого типа, а другие входы через другие дополнительные фазовращатели соединены с выходами второй, независимой распределительной системы. Распределители первого, третьего и четвертого типов выполнены на гибридных балансных элементах по параллельной схеме деления сигнала. 2 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в СВЧ антенной технике в составе антенных решеток различного назначения.

Известна статья «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 которой приведено схемное решение по реализации способа одновременного формирования оптимальных амплитудных распределений по суммарному и разностному каналам. Это достигается за счет введения второй распределительной системы, связанной с первой ответвленными каналами через фазирующие секции. Недостатками приведенного технического решения являются существенные конструктивные усложнения устройства, а также обеспечение работы только с одним независимо сканирующим лучом.

Известна статья «Beamformer Architectures for Active Phased-Array Radar Antennas» IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol.47, №3, March 1999, авт. Ashok K.Agrawal and Eric L.Holzman, 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 габаритных размеров и массы. Применение микрополосковых вариантов таких схем для активных ФАР возможно, но приводит к увеличению вносимых потерь на 5÷6 дБ по сравнению с волноводными.

Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является антенная система (RU 2300833 С1, опубл. 10.06.2007 г.), содержащая двухмерную моноимпульсную фазированную антенную решетку, состоящую из линеек излучателей, соединенных с линейками фазовращателей, волноводного распределителя, выполненного из направленных ответвителей и магистральных волноводов, а также СВЧ-сумматора, причем волноводный распределитель состоит из М линейных распределителей первого типа, сгруппированных по четвертям и построчно заполняющих весь раскрыв двухмерной моноимпульсной фазированной антенной решетки, и четырех линейных распределителей второго типа, расположенных ортогонально М линейным распределителям первого типа, при этом входы распределителей второго типа соединены с соответствующими выходами СВЧ- сумматора. Каждый из волноводных выходов направленных ответвителей этих распределителей соединен с соответствующим магистральным волноводом линейных распределителей первого типа, каждый из четырех линейных распределителей второго типа выполнен из двух делителей: основного и дополнительного. Основные делители линейного распределителя второго типа и все линейные распределители первого типа выполнены на основе направленных ответвителей с пересекающимися под углом 65-80° каналами таким образом, что волноводные выходы линейных распределителей первого типа из разных половин раскрыва, соответственно левой и правой, верхней и нижней, образуют эквидистантную структуру в обеих плоскостях с периодом d_H≤0,63λ в плоскости линейного распределителя первого типа и периодом d_E≤0,49λ в плоскости линейного распределителя второго типа. В плечах волноводных выходов основных делителей линейных распределителей второго типа, в которые направленно ответвляется СВЧ-энергия, установлены волноводные уголки, обеспечивающие повороты в Н и Е плоскостях и трансформацию сечений волновода. К каждому из плеч основных делителей линейных рапределителей второго типа, в которые не ответвляется СВЧ-энергия, присоединены через волноводные фазосдвигающие секции волноводные выходы направленных ответвителей дополнительных делителей линейных распределителей второго типа, каждый из которых представляет собой ряд направленных ответвителей, объединенных магистральным волноводом, вход которого соединен с соответствующим выходом дополнительного СВЧ-сумматора. В свою очередь, вход этого сумматора, как и вход основного сумматора, на которых формируются разностные характеристики в плоскости расположения распределителя второго типа, соединены через фазосдвигающие секции с выходами волноводного направленного ответвителя.

Недостатком приводимого технического решения являются громоздкость конструкции, а также обеспечение работы только с одним независимо сканирующим лучом.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что двухмерная моноимпульсная антенна с электронным управлением лучом состоит из линеек излучателей, фазовращателей и распределительной системы, выполненной из распределителей первого типа, входы которых соединены с соответствующими выходами распределителя второго типа, входы которых соединены, соответственно, с выходами основного и дополнительного СВЧ-сумматоров, соединенных между собой по одному разностному входу через фазирующие секции и направленный ответвитель.

Новыми признаками заявленного технического решения является то, что в двухмерной моноимпульсной антенне с электронным управлением лучом в каждом канале между выходами линеек распределителей первого типа и фазовращателями, а также между фазовращателями и соответствующими каналами линеек излучателей двумя своими плечами присоединены циркуляторы, обеспечивающие передачу СВЧ-сигнала от линеек распределителей первого типа к линейкам излучателей, при этом третьи плечи циркуляторов присоединены к разделяющим устройствам таким образом, что сигналы от линеек излучателей через циркуляторы поступают на выходы разделяющих устройств, одни из входов которых через дополнительные фазовращатели соединены с выходами линеек распределителей первого типа, а другие входы через другие дополнительные фазовращатели - с выходами второй, независимой, распределительной системы, состоящей из распределителей третьего типа, входы которых соединены с соответствующими выходами распределителя четвертого типа, входы которых, соединены с соответствующими выходами второго дополнительного сумматора, причем распределители первого, третьего и четвертого типов выполнены на гибридных балансных элементах по параллельной схеме деления сигнала.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение работы второго независимо сканирующего луча «на прием» за счет введения независимой распределительной системы, разделяющих устройств и дополнительных фазовращателей в каждом канале без изменения периодов d_H и d_E в обоих плоскостях структуры раскрыва и при сохранении достаточно высокой энергетической эффективности двухмерной моноимпульсной антенны с электронным управлением лучом при уменьшении габаритных размеров и массы.

Это достигнуто за счет использования в качестве распределителей первого типа распределителей, выполненных по параллельной схеме деления сигнала, выполненной на гибридных балансных элементах в микрополосковом исполнении, при этом распределитель второго типа волноводный и выполнен по последовательной схеме деления сигнала, что обеспечивает, в целом, достаточно высокую энергетическую эффективность PC. Вновь вводимая распределительная система (PC) (распределители третьего, четвертого типов и второй дополнительный СВЧ-сумматор) выполнена по параллельной схеме деления сигнала на гибридных балансных элементах. Такое техническое решение обеспечивает встраивание независимой PC без изменения структуры раскрыва (периодов d_H и d_E) при обеспечении высокой энергетической эффективности PC, обеспечивающей работу с первым лучом.

На фиг.1 приведена функциональная схема двумерной фазированной антенной решетки с электронным управлением лучом.

На фиг.2 приведено схематическое изображение двумерной фазированной антенной решетки с электронным управлением лучом.

Двумерная моноимпульсная антенна с электронным управлением лучом состоит из линеек излучателей 1, выполненных из ряда отдельных каналов, линеек фазовращателей и разделяющих устройств 2, выполненных из ряда отдельных каналов, каждый из которых состоит из первого циркулятора 3, второго циркулятора 4, первого фазовращателя 5, второго фазовращателя 6, третьего фазовращателя 7 и разделяющего устройства 8, двух независимых распределительных систем. Первая независимая распределительная система состоит из линеек распределителей первого типа 9 и линеек распределителей второго типа 10, основного СВЧ-сумматора 13, первого дополнительного СВЧ-сумматора 14, а также направленного ответвителя 16, первой фазирующей секции 17 и второй фазирующей секции 18. Вторая независимая распределительная система состоит из линеек распределителей третьего типа 11, линеек распределителей четвертого типа 12, второго дополнительного СВЧ-сумматора 15. Линейки излучателей 1 соединены с выходными каналами линеек фазовращателей и разделяющих устройств 2, в каждом из которых происходит разделение сигналов в две цепи - в одной с вторым фазовращателем 6, а в другой - с третьим фазовращателем 7, при этом входы этих цепей образуют пары, одни из входов которых соединены с выходами линеек распределителей первого типа 9, а другие - с выходами линеек распределителей третьего типа 11. Далее входы линеек распределителей первого типа 9 соединены с соответствующими выходами линеек распределителей второго типа 10, а входы линеек распределителей третьего типа 11 соединены с соответствующими выходами линеек распределителей четвертого типа 12, а затем входы линеек распределителей второго типа 10 соединены с соответствующими выходами основного СВЧ-сумматора 13 и первого дополнительного СВЧ-сумматора 14, а входы линеек распределителей четвертого типа 12 соединены с выходами второго дополнительного СВЧ-сумматора 15. При этом на входах основного СВЧ-сумматора 13 формируются суммарно-разностные диаграммы (суммарная, разностная в плоскости расположения линеек распределителей первого типа 9 и разностно-разностная), разностная диаграмма в плоскости расположения линеек распределителя второго типа 10 формируется по входу направленного ответвителя 16, а по входам второго дополнительного СВЧ-сумматора 15 формируются суммарно-разностные ДН для сигналов, пришедших с направлений, соответствующих фазовым фронтам, создаваемых при помощи фазовращателей 7.

Предлагаемая двумерная фазированная антенная решетка с электронным управлением лучом работает следующим образом. При подаче СВЧ-сигнала на суммарный вход (“Σ”) основного СВЧ-сумматора 13 происходит распределение его через основной СВЧ-сумматор 13 и линейные распределители второго типа 10 по линейкам распределителей первого типа 9, которые, в свою очередь, через первый и второй циркуляторы 3,4 и фазовращатели 5, формирующие заданные фазовые характеристики в каждом канале и разделяющие цепи передающего и приемного каналов, запитывают линейки излучателей 1, создавая в раскрыве двухмерной ФАР с электронным управлением лучом заданные амплитудно-фазовые распределения и формируя, соответственно, заданную диаграмму направленности при работе «на передачу».

При работе «на прием», при поступление сигналов на раскрыв антенны, они через циркулятор 3 поступают на разделяющее устройство 8 и после деления на две части одни из них через фазовращатель 6 поступают на выходы линеек распределителей первого типа 9, и далее сигналы с фазами в каждом канале, соответствующими фазовому фронту излученных сигналов, суммируются в этих линейках и формируют в результате на своих входах сигналы, которые далее поступают в линейки распределителей второго типа 10 и, суммируясь в каждой из них, поступают на выходы основного СВЧ-сумматора 13 и первого дополнительного СВЧ-сумматора 14.

В результате, на входах основного СВЧ-сумматора 13 формируются суммарная и две разностные диаграммы направленности, а еще одна разностная диаграмма направленности для плоскости, в которой расположен распределитель второго типа 10, и соответствующая оптимальной форме амплитудного распределения, формируется на входе направленного ответвителя 16 после сложения в определенных амплитудно-фазовых соотношениях сигналов от основного СВЧ-сумматора 13 и первого дополнительного СВЧ-сумматора 14 с учетом характеристик фазирующих секций 17 и 18. Вторая часть сигналов, после деления в разделяющем устройстве 8, поступает на третьи фазовращатели 7 и далее на линейки распределителей третьего типа 11, а затем и в линейки распределителей четвертого типа 12, в которых происходит сложение сигналов, но складываются только те сигналы, фазовый фронт которых в апертуре антенны соответствует фазовому распределению, установленному фазовращателями 7, остальные сигналы фильтруются линейками распределителей третьего типа 11. Далее эти сигналы поступают на выходы второго дополнительного СВЧ-сумматора 15, формируя в результате на его входах суммарно-разностные диаграммы для сигнала, пришедшего с направления, соответствующего фазовому фронту, формируемого фазовращателями 7.

Таким образом, технико-экономические преимущества предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключаются во встраивании без изменения структуры раскрыва (периодов d_H и d_E) антенны, второй независимой распределительной системы с разделяющими устройствами и дополнительными фазовращателями, обеспечивающими в совокупности формирование второго независимо сканирующего луча «на прием».

Результаты практической реализации предложенного технического решения не вызывают сомнения. Изготовлен и прошел испытания экспериментальный образец двумерной фазированной антенной решетки с электронным управлением лучом. Испытания подтвердили возможность достижения заявленного технического эффекта. В предлагаемой двумерной фазированной антенной решетке с электронным управлением лучом без изменения периодов решетки d_H и d_E встроена вторая независимая распределительная система с фазовращателями, циркуляторами и разделяющими устройствами, позволяющими сформировать в режиме «на прием» вторую независимо сканирующую суммарно-разностную диаграмму направленности.

Двумерная моноимпульсная антенна с электронным управлением лучом, содержащая линейки излучателей, линейки фазовращателей и распределительную систему, состоящую из линеек распределителей первого типа, входы которых соединены с соответствующими выходами линеек распределителя второго типа, входы которых соединены соответственно с выходами основного и дополнительного СВЧ-сумматоров, соединенных между собой по одному разностному входу через фазирующие секции и направленный ответвитель, отличающаяся тем, что в каждом канале между выходами линеек распределителей первого типа и фазовращателями, а также между фазовращателями и соответствующими каналами линеек излучателей двумя своими плечами присоединены циркуляторы, обеспечивающие передачу СВЧ-сигнала от линеек распределителей первого типа к линейкам излучателей, при этом третьи плечи циркуляторов присоединены к разделяющим устройствам таким образом, что сигналы от линеек излучателей через циркуляторы поступают на выходы разделяющих устройств, одни из входов которых через дополнительные фазовращатели соединены с выходами линеек распределителей первого типа, а другие входы распределительных устройств через другие дополнительные фазовращатели - с выходами второй, независимой, распределительной системы, состоящей из распределителей третьего типа, входы которых соединены с соответствующими выходами распределителя четвертого типа, входы которых соединены с соответствующими выходами второго дополнительного сумматора, причем распределители первого, третьего и четвертого типов выполнены на гибридных балансных элементах по параллельной схеме деления сигнала.