Преобразовательный приемопередающий модуль цифровой антенной решетки с двухуровневым управлением (варианты)
Владельцы патента RU 2683141:
Российская Федерация, от имени которого выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (МИНПРОМТОРГ РОССИИ) (RU)
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к преобразовательным приемопередающим модулям (ПППМ), и может быть использовано в радиолокации и системах связи для работы в составе цифровых антенных решеток (ЦАР) с применением технологий цифрового диаграммообразования на передачу и прием, и методов цифровой обработки сигналов. Преобразовательный приемопередающий модуль цифровой антенной решетки с двухуровневым управлением содержит двунаправленный (реверсивный) преобразователь частоты 1, первый ферритовый переключатель передача-прием на ферритовом циркуляторе 2, усилитель мощности 3, второй ферритовый переключатель передача-прием 4, малошумящий усилитель 5. Между выходом-входом двунаправленного (реверсивного) преобразователя частоты 1 и первым плечом первого переключателя передача-прием 2 дополнительно введен двунаправленный (реверсивный) управляемый фазовращатель 6. Техническим результатом является: получение дополнительного (второго) канала управления ПППМ, обеспечение температурной стабильности, надежности, уменьшение количества связей в распределительных системах, упрощение системы управления и всей ЦАР. Модуль может быть выполнен многоканальным. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к преобразовательным приемопередающим модулям (ПППМ) и может быть использовано в радиолокации и системах связи для работы в составе цифровых антенных решеток (ЦАР) с применением технологий цифрового диаграммообразования на передачу и прием, и методов цифровой обработки сигналов.
Цифровое диаграммообразование и обработка сигналов в ЦАР позволяет решить практически любую задачу адаптивного формирования диаграммы направленности антенны (ДНА). Методы цифрового диаграммообразования применяются как во вращающихся ЦАР с одномерным электронным сканированием и соответственно, одномерным цифровым диаграммообразованием, так и в неподвижных (либо вращающихся) ЦАР с двумерным электронным сканированием.
Учитывая, что ЦАР РЛС обнаружения, для обеспечения требуемых точностей измерения угловых координат, должны иметь размеры раскрыва в несколько десятков длин волн, количество независимых каналов цифрового диаграммообразования и обработки сигналов для одномерных ЦАР, в частности корабельных РЛС обнаружения, может достигать сотни и даже больше, а для двумерных ЦАР, соответственно, нескольких тысяч.
Наличие такого количества степеней свободы, а значит и независимых элементов управления является избыточным, так как задача управления (и адаптации) ДНА сводится обычно к формированию одного (или нескольких) максимумов (суммарных диаграмм), соответствующего количества разностных диаграмм, а также некоторого количества «нулей» по направлениям воздействия активных помех. Максимальное количество активных помехопостановщиков должно быть на единицу меньше числа степеней свободы (элементов управления) в ЦАР. Как правило это требование выполняется со значительным запасом в одномерных ЦАР, а в двумерных - с запасом в два-три порядка.
Вычислительная трудоемкость задач адаптации и оптимизации ДНА с числом параметров в сотни и тысячи делает их нереализуемыми в реальном масштабе времени. Содержание задач управления и адаптации ДНА для ЦАР РЛС обнаружения позволяет существенно упростить решение указанной задачи разбив (разделив) ее на решение на несколько подзадач меньшей размерности.
В приложении к управлению, оптимизации и адаптации ДНА ЦАР такой подход сводится к разделению антенной решетки на несколько подрешеток, каждая из которых управляется и оптимизируется (первый уровень управления) независимо цифровым или аналоговым способом, а общее управление и адаптация ДНА ЦАР (второй уровень управления) реализуется между подрешетками цифровыми методами диаграммообразования и адаптации.
Указанное разделение плоской двумерной решеток иллюстрируется на рисунках Фиг. 1, Фиг. 2.
Для двумерной решетки рассматриваются две возможности двухуровневого управления для сокращения числа каналов управления (число степеней свободы):
- матричное управление, когда на каждую подрешетку (модуль) управление второго уровня вырабатывается независимо, при этом число независимых каналов цифрового управления (диаграммообразования), как видно на рисунке Фиг. 2, равно числу подрешеток - (P×R);
- ортогональное (покоординатное) управление при котором подрешетки расположенные в разных «строках» и «столбцах» решетки получают по соответствующим координатам одинаковые управления. Устройство ЦДО строится как для двух одномерных решеток. Число независимых каналов цифрового управления (диаграммообразования), как видно на рисунке Фиг. 2, равно - (P+R).
Необходимым условием реализуемости такого подхода является то, что количество независимых каналов цифрового управления (число степеней свободы) должно быть на единицу больше количества подавляемых помех. Предполагая, что ортогональное управление строится независимо по координатам, эти условия должны удовлетворяться по каждой из координат. Значительное уменьшение количества степеней свободы на втором уровне управления позволяет снизить затраты на построение двумерных ЦАР и в конечном счете делает их реализуемыми.
Для реализации двухуровневого управления каждый из приемопередающих модулей (ППМ) составляющих ЦАР должен иметь два независимых входа управления при этом как минимум один из них должен обеспечивать возможность цифрового диаграммообразования (ЦДО). Известные конструкции ППМ для АФАР имеют, как правило единственный вход управления, поэтому задача состоит во введении в существующие модули дополнительного входа управления, что, конечно, усложняет отдельный ППМ, но позволяет упростить систему управления и в конечном счете всю ЦАР.
Известны приемо-передающие модули для АФАР (MimixBroadband [1]), активная фазированная антенная решетка с широкоугольным сканированием (Патент РФ №126200[2]),а также преобразовательный приемопередающий модуль ЦАР (Патент на изобретение №2611600 [3], которые являются близкими аналогами к заявленному техническому решению. В известных изобретениях [1], [2] используются два раздельных преобразователя частоты для передающего и приемного каналов, что усложняет конструкцию модуля, снижает его надежность и требует большого количества связей в системе распределения каналов ЦАР.
Изобретение [3] - преобразовательный приемопередающий модуль (далее - ПППМ) ЦАР использует совмещенный (реверсивный) преобразователь для передающего и приемного каналов, что упрощает модуль и уменьшает влияние температурных нестабильностей на характеристики (расфокусировку) ЦАР. По указанным причинам изобретение [3] выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является введение в ПППМ дополнительного (второго) канала управления при минимальном усложнении конструкции модуля, обеспечении температурной стабильности, надежности, уменьшение количества связей в распределительных системах, упрощения системы управления и всей ЦАР.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков являются: получение дополнительного (второго) канала управления ПППМ, обеспечение температурной стабильности, надежности, уменьшение количества связей в распределительных системах, упрощение системы управления и всей ЦАР.
Для достижения поставленных задач, представлено два варианта исполнения преобразовательного приемопередающего модуля цифровой антенной решетки с двухуровневым управлением.
1. При первом варианте, для достижения поставленных задач преобразовательный приемопередающий модуль цифровой антенной решетки с двухуровневым управлением, содержит передающий канал с последовательно соединенными двунаправленным (реверсивным) преобразователем частоты, на который поступает сигнал гетеродина, выход-вход преобразователя подключен к первому плечу переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе, второе плечо циркулятора соединено с входом усилителя мощности, выход которого подключен к первому плечу второго переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе, второе плечо которого подключено к выходу-входу модуля и приемный канал с последовательно соединенным вторым переключателем передача-прием на ферритовом циркуляторе, третье плечо которого подключено к входу малошумящего усилителя, выход которого соединен с третьим плечом первого циркулятора первое плечо которого подключено к входу-выходу преобразователя частоты, между выходом-входом двунаправленного (реверсивного) преобразователя частоты и первым плечом первого переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе включен дополнительно введенный двунаправленный (реверсивный) управляемый фазовращатель.
2. Во втором варианте, преобразовательный приемопередающий модуль цифровой антенной решетки с двухуровневым управлением выполнен многоканальным, в котором встроен многоканальный сумматор-делитель мощности, включенный между выходом-входом двунаправленного (реверсивного) преобразователя частоты и входами-выходами двунаправленных (реверсивных) управляемых фазовращателей каждого из каналов.
Сущность изобретения поясняется структурными схемами.
На рисунке Фиг. 3 изображена структурная схема одноканального преобразовательного приемопередающего модуля цифровой антенной решетки с двухуровневым управлением (Вариант первый), которая состоит из: двунаправленного (реверсивного) преобразователя частоты 1, первого ферритового переключателя передача-прием 2, усилителя мощности 3, второго ферритового переключателя передача-прием4, малошумящего усилителя 5, двунаправленного (реверсивного) управляемого фазовращателя 6.
Сущность работы одноканального преобразовательного приемопередающего модуля цифровой антенной решетки с двухуровневым управлением (Фиг. 3) заключается в том, что в режиме на передачу импульсный сигнал промежуточной частоты, сформированный в цифроаналоговом преобразователе блока цифрового диаграммообразования (БЦДО), и сигнал гетеродина поступают на преобразователь частоты 1, где переносится в диапазон СВЧ и поступает на управляемый фазовращатель 6, а затем пройдя первый ферритовый переключатель передача-прием 2, передается на усилитель мощности 3. Усиленный сигнал СВЧ через второй ферритовый переключатель передача-прием 4, передается на излучатель антенны.
При работе на прием СВЧ сигналы, отраженные от целей, с излучателя антенны поступают на второй ферритовый переключатель передача-прием 4 и далее на малошумящий усилитель5, в котором происходит усиление сигнала СВЧ с малым коэффициентом шума. После этого, пройдя через второй ферритовый переключатель передача-прием 2СВЧ сигнал поступает через управляемый фазовращатель 6в преобразователь частоты 1, где смешивается с сигналом гетеродина и преобразуется в сигнал промежуточной частоты и далее передается на аналого-цифровой преобразователь блока цифрового диаграммообразования, в котором производится цифровая обработка сигналов. Все составляющие одноканального преобразовательного приемопередающего модуля цифровой антенной решетки с двухуровневым управлением кроме преобразователя частоты составляют приемопередающий канал (ППК).
На рисунке Фиг. 4 изображена структурная схема многоканального преобразовательного приемопередающего модуля цифровой антенной решетки с двухуровневым управлением (Вариант второй), которая состоит из: двунаправленного (реверсивного) преобразователя частоты 1, сумматора-делителя мощности сигнала 2, первого приемопередающего канала (ППК1)3, второго преобразовательного приемопередающего канала (ППК2)4 и т.д. до N-ого преобразовательного приемопередающего канала (ППКN)N+2.
Сущность работы многоканального преобразовательного приемопередающего модуля (МПППМ) цифровой антенной решетки с двухуровневым управлением аналогична работе вышеописанного одноканального преобразовательного приемопередающего модуля. С разницей в том, что сигнал на/от входы/выходов каждого приемопередающего канала (ППК13, ППК24, ППК NN+2) поступает с/на выходов/входы многоканального сумматора-делителя мощности сигнала, входящего в состав многоканального модуля и своим общим входом/выходом подключен к двунаправленному (реверсивному) преобразователю частоты 1.
Многоканальный преобразовательный приемопередающий модуль (МПППМ) цифровой антенной решетки с двухуровневым управлением по своим функциональным возможностям может выполнять функции подрешетки и позволяет строить модульные ЦАР различных размеров и функциональных возможностей. При этом в состав ЦАР должен быть введен многоканальный синфазный делитель мощности гетеродина с числом выходов соответствующим количеству входящих в состав ЦАР МПППМ (Фиг. 5).
Таким образом, предлагаемые варианты преобразовательного приемопередающего модуля цифровой антенной решетки с двухуровневым управлением, обеспечивают модульное построение ЦАР, применение общих элементов для передачи и приема сигналов в ЦАР, позволяет снизить массу и повысить температурную стабильность модуля, наличие двухуровневого управления уменьшает количество требуемых каналов цифрового управления при сохранении высокой точности цифрового диаграммообразования, уменьшает количество связей в распределительных системах, упрощает систему управления и всю ЦАР.
1. Преобразовательный приемопередающий модуль цифровой антенной решетки с двухуровневым управлением, содержащий передающий канал с последовательно соединенными двунаправленным (реверсивным) преобразователем частоты, на который поступает сигнал гетеродина, выход-вход преобразователя подключен к первому плечу переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе, второе плечо циркулятора соединено с входом усилителя мощности, выход которого подключен к первому плечу второго переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе, второе плечо которого подключено к выходу-входу модуля, и приемный канал с последовательно соединенным вторым переключателем передача-прием на ферритовом циркуляторе, третье плечо которого подключено к входу малошумящего усилителя, выход которого соединен с третьим плечом первого циркулятора, первое плечо которого подключено к входу-выходу преобразователя частоты, отличающийся тем, что между выходом-входом двунаправленного (реверсивного) преобразователя частоты и первым плечом первого переключателя передача-прием на ферритовом циркуляторе включен дополнительно введенный двунаправленный (реверсивный) управляемый фазовращатель.
2. Преобразовательный приемопередающий модуль цифровой антенной решетки с двухуровневым управлением по п. 1, отличающийся тем, что модуль выполнен многоканальным, в котором встроен многоканальный сумматор-делитель мощности, включенный между выходом-входом двунаправленного (реверсивного) преобразователя частоты и входами-выходами двунаправленных (реверсивных) управляемых фазовращателей каждого из каналов.
