Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА - Патент РФ 2048699
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА
ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА

ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: в радиолокационных системах с электрическим сканированием луча для повышения точности установки фазового распределения, увеличения коэффициента усиления и уменьшения времени переключения луча, модуля фазированной антенной решетки. Сущность изобретения: антенная решетка содержит три подрешетки ромбической формы, излучатели круговой поляризации, ячейки управления и три спецвычислителя. Апертура антенной решетки выполнена в виде правильного многоугольника, а каждая подрешетка состоит из N столбцов и M + 1 строк, расположенных под углом 120° друг к другу. Каждая ячейка управления выполнена в виде параллелограмма и содержит линейки фазовращателей и печатные платы. 4 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2048699
Класс(ы) патента: H01Q21/00
Номер заявки: 5006536/09
Дата подачи заявки: 13.08.1991
Дата публикации: 20.11.1995
Заявитель(и): Акционерное общество открытого типа "Радиофизика"
Автор(ы): Толкачев А.А.; Левитан Б.А.; Ремизов Б.А.; Колобов В.А.; Маркин Г.В.; Шишлов А.В.; Шубов А.Г.
Патентообладатель(и): Акционерное общество открытого типа "Радиофизика"
Описание изобретения: Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам и может быть использовано в радиолокационных системах с электрическим сканированием луча.
Известно, что в антеннах с электрическим сканированием луча одна из основных проблем связана с созданием требуемого фазового распределения на всех элементах решетки. Необходимо, получив исходную информацию о требуемом угловом положении луча в заданном секторе пространства, произвести в спецвычислителе расчет требуемых фаз излучателей антенной решетки и осуществить установку фаз в фазовращателях ФАР.
Такие ФАР, как Patriot, Missile Site Radar (MSR) и PAR, представляют собой многофункциональные радиолокационные комплексы, которые могут эффективно использоваться в аэродромных системах обзора и слепой посадки, а также в целях обнаружения и сопровождения летательных аппаратов. Фазированная решетка РЛС состоит из нескольких тысяч фазовращателей.
Управление ими является сложной задачей.
В целях повышения коэффициента усиления ФАР, снижения ее стоимости целесообразно использовать принцип модульного построения. В состав модуля ФАР входит приемопередающая аппаратура, антенна и элементы управления. Для сканирования лучом в достаточно широком секторе углов антенна модуля ФАР должна представлять собой сканирующую антенную решетку, причем для получения минимальных зазоров между модулями ФАР их апертуры целесообразно выполнять в виде правильных шестиугольников.
Известны ФАР, в которых элементы антенной решетки образуют не прямоугольную, а треугольную (гексагональную) сетку. Очевидно, что в таких случаях конструкция ФАР, включая систему управления фазовращателями, связанная с прямоугольной системой координат, не всегда является наиболее эффективной.
В частности для гексагональной решетки более подходящей при формировании алгоритма управления может явиться косоугольная система координат.
Наиболее близкой по своей технической сущности и достигаемому результату является фазированная антенная решетка отражательного типа с апертурой в виде правильного шестиугольника, возбуждаемой пространственным распределителем мощности облучателем, имеющим осевую симметрию, содержащая расположенные в узлах гексагональной сетки излучатели круговой поляризации и связанные со спецвычислителем системы управления лучом ФАР ячейки управления, каждая из которых выполнена в виде линейки фазовращателей с печатной платой.
Это устройство может быть использовано как автономная ФАР и как составная часть крупноапертурного антенного модуля ФАР.
Известны варианты конструкции ФАР, выполненные на основе отдельных излучающих элементов и на основе интегрированных элементов. В последнем случае излучатели ФАР сгруппированы по 4 элемента с линейкой фазовращателей и платой управления.
Недостатком устройства-прототипа является то, что при значительном числе элементов модуля ФАР (порядка нескольких тысяч излучателей), даже в случае использования интегрированных элементов из 4-х излучателей, необходимо применение чрезвычайно большого количества проводников, соединяющих фазовращатели со спецвычислителем модуля. Это приводит к взаимной связи цепей управления, искажениям управляющих импульсов и фазовых соотношений в фазовращателях, а это влечет за собой снижение коэффициента усиления ФАР.
Кроме того, указанное выполнение ФАР требует применения сложного алгоритма управления, что уменьшает быстродействие переключения луча в заданном секторе пространства.
Кроме того затруднен отвод от элементов ФАР тепла, выделяемого за счет энергии управления и вследствие СВЧ потерь. Это приводит к неравномерному нагреву элементов в пределах апертуры ФАР. Особенно критичным этот фактор является в случае использования ферритовых фазовращателей, фаза которых существенно зависит от температуры окружающей среды. В конечном счете это также вызывает снижение точности установки фазового распределения в апертуре антенны и коэффициента усиления ФАР.
Целью изобретения является повышение точности установки фазового распределения, повышение коэффициента усиления (КУ) и уменьшение времени переключения луча ФАР.
Это достигается тем, что в фазированной антенной решетке отражательного типа с апертурой в виде правильного шестиугольника, возбуждаемой пространственным распределителем мощности-облучателем, имеющим осевую симметрию, содержащей расположенные в узлах гексагональной сетки излучатели круговой поляризации и связанные со спецвычислителем системы управления лучом ФАР ячейки управления, каждая из которых выполнена в виде линейки фазовращателей с печатной платой, апертура антенной решетки выполнена в виде трех идентичных подрешеток ромбической формы из No столбцов и No+1 строк, расположенных под углом 120о друг к другу, в каждую ячейку управления, апертура которой выполнена в виде параллелограмма со сторонами, ориентированными вдоль строк и столбцов подрешетки, дополнительно введены параллельно расположенные линейки фазовращателей и платы управления, а в систему управления лучом дополнительно введены два идентичных первому спецвычислителя, причем каждый спецвычислитель связан с ячейками управления соответствующей подрешетки, а фазовые сдвиги, вводимые от каждого спецвычислителя в фазовращатели соответствующей подрешетки, определяются по формуле:
ϕi= k1xi+k2yi+k3zi+ i где k1, k2, k3 коды фазовых набегов по осям х, y, z, ориентированным под углом 120о относительно друг друга;
xi, yi, zi координаты излучателя; λ длина волны;
Н высота фокального кольца облучателя над апертурой ФАР;
ro радиус фокального кольца облучателя;
Ri радиус-вектор излучателя;
Ψ i начальная фазовая длина i-го фазовращателя.
На фиг. 1 изображен общий вид ФАР, а именно антенный модуль.
Предлагаемый модуль содержит пространственный распределитель мощности (облучатель) 1, волноводный тракт 2, ячейки управления 3, 4, радиопрозрачное укрытие 5, корпус 6, излучатели 7, систему термостабилизации (теплообмена) с воздуховодами 8. Каждая из ячеек управления 3, 4 содержит печатные платы 9 и линейки фазовращателей 11.
На фиг. 2 изображена апертура антенного модуля, разделенная на 3 подрешетки 10 (А, В, С), в каждой из которых обозначены границы ячеек управления. Указана нумерация строк и столбцов в каждой подрешетке 10 и направления косоугольных осей координат х, y, z.
В антенной решетке с апертурой в виде правильного шестиугольника число излучателей 7, расположенных в узлах гексагональной сетки (частном случае треугольной сетки при ячейке ФАР в виде равностороннего треугольника), составляет (без учета центрального элемента)
3No(No + 1), где No целое число.
Отсюда следует, что число излучателей в каждой подрешетке 10, занимающей 1/3 площади апертуры, составляет No(No + 1). Поэтому в заявленном решении число строк Nо + 1 элементов подрешетки 10 на единицу превышает число столбцов No независимо от общего числа излучателей в модуле.
На фиг. 3 изображена антенная решетка из 18 излучающих элементов 7. Видно, что в данном случае число столбцов равно 2, а число строк 3. Свободная центральная область апертуры модуля используется для крепления распределителя мощности 1 (облучателя) и подводки к нему питающего волновода.
При значительном числе излучателей (общем числе излучателей в модуле N несколько тысяч, числе столбцов в подрешетке No ≥ 30) апертура подрешетки ромбической формы плотно заполняется излучающими элементами.
Размеры ячеек управления выбираются, исходя из наиболее рационального заполнения апертуры подрешетки 10 при минимальном числе их типоразмеров, а также с учетом технологических особенностей их изготовления и необходимости уменьшения числа соединительных проводников. Как видно из фиг. 2, для плотного заполнения апертуры модуля достаточно двух типоразмеров ячеек управления 3, 4.
Управление фазовращателями в предлагаемом устройстве поэлементное. Вычисление фазовых соотношений в спецвычислителе, учитывает гексагональную симметрию расположения излучателей и осуществляется вдоль строк и столбцов. Разводка цепей управления производится вдоль строк.
Сканирование в модуле осуществляется путем создания требуемого фазового распределения в апертуре модуля. Значения фаз в апертуре модуля вычисляются при приближении геометрической оптики с учетом того, что лучевая структура поля облучателя 1 образует фокальное кольцо по следующей формуле:
ϕi= k1xi+k2yi+k3zi+ i где к1, к2, к3 коды фазовых набегов по осям модуля соответственно;
xi, yi, zi координаты излучателя-фазовращателя в модуле;
Н высота облучателей над апертурой модуля;
ro радиус фокального кольца;
Ri радиус вектор излучателя;
Ψ i начальная фазовая длина i-го фазовращателя.
Координаты xi, yi, zi нормированы к шагу решетки и принимают значения: xi xi'/d; yi yi'/d; zi zi'/d.
При вычислении фаз в апертуре модуля величины К1, К2 и К3 определяются по заданным угловым сферическим координатам Θ и ϕ положения луча:
K1= d sinΘ·cosϕ
K2= d(sinΘ·cosϕ+ sinΘ·sinϕ)
K3= d(-sinΘ·cosϕ+ sinΘ·sinϕ) где λ длина волны;
d шаг решетки.
В спецвычислителе требуемые фазы определяются в виде кодов фазовых состояний.
Для каждой подрешетки используются лишь два из указанных фазовых набегов. Так для подрешетки А (см. фиг. 2) фазовые набеги К2 и К3 вычисляются вдоль координат y и z, а значение К1 полагается равным нулю, для подрешетки В соответственно К2 0, а для подрешетки С-К3 0.
При ориентации луча по нормали к апертуре решетки К1 К2 К3 0.
Для того, чтобы исключить фазовые ошибки коллимации в апертуре модуля, необходимо ввести нелинейные фазовые поправки в каждый фазовращатель ФАР. Это учитывается в расчетной формуле слагаемым с квадратным корнем из величины, определяемой геометрией решетки.
Последнее слагаемое (Ψ i ) служит для компенсации фаз, обусловленных технологическими допусками на изготовление фазовращателей.
Таким образом, в предлагаемом устройстве достигается сочетание преимущества по точности установки фазовых соотношений, присущего поэлементному методу управления лучом, с преимуществами строчно-столбцового метода управления в части простоты алгоритма управления и конструкции цепей управления.
По сравнению с прототипом каждый спецвычислитель управляет лишь 1/3 от общего числа фазовращателей в антенной решетке, что позволяет упростить его конструкцию.
Время ввода информации в фазовращатели модуля ФАР в три раза меньше, чем в случае решетки с поэлементным управлением и таким же количеством фазовращателей. Это связано с тем, что апертура модуля разбита на три идентичные подрешетки ромбической формы, куда одновременно заносится информация о фазовых состояниях. Время ввода информации определяется по следующей формуле:
T τ x [N/3(No+1)] где τ время ввода информации в один столбец фазовращателей;
N общее количество фазовращателей в модуле ФАР;
No + 1 число фазовращателей в одном столбце.
Воздушная система термостабилизации 8 содержит воздуховоды, расположенные параллельно боковым граням каждой подрешетки 10 и создает параллельные воздушные потоки между печатными платами 9 ячеек управления 3, 4.
Шестиугольная форма апертуры модуля обеспечивает гексагональную упаковку модулей на каркасе модульной ФАР, что позволяет наращивать количество модулей (см. фиг. 4) и максимально сократить зазоры между модулями.
Примером конкретного выполнения фазированной антенной решетки модуля ФАР может служить устройство, конструкция которого изображена на фиг. 1 и 2. В антенной решетке модуля имеется 3600 излучателей и фазовращателей, сгруппированных в 36 ячеек управления (в каждой подрешетке содержится соответственно 1200 излучателей и фазовращателей, 12 ячеек управления). В каждой ячейке управления 6 линеек фазовращателей. От спецвычислителя к каждой подрешетке проложен жгут из 250 проводников.
В устройстве-прототипе с таким же числом фазовращателей, интегрированных по 4 элемента, потребовалось бы на порядок большее количество проводников для связи антенной решетки со спецвычислителем.
Согласно проведенной оценке, выигрыш в коэффициенте усиления антенной решетки по сравнению с устройством-прототипом составляет за счет повышения точности установки фазового распределения 1 дБ.
Формула изобретения: ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА, содержащая облучатель, расположенный вдоль центральной оси решетки, апертура которой выполнена в виде правильного шестиугольника, в узлах гексагональной сетки которой расположены излучатели круговой поляризации, ячейки управления, выходы которых соединены с входами блока управления, выходы которых соединены с входами блока управления лучом, содержащего первый спецвычислитель, при этом каждая ячейка управления состоит из линейки фазовращателей и печатной платы, отличающаяся тем, что апертура антенной решетки выполнена в виде трех идентичных подрешеток ромбической формы, каждая из которых состоит из Nо столбцов и Nо + 1 строк, расположенных под углом 120o друг к другу, в каждую ячейку управления, апертура которой выполнена в виде параллелограмма со сторонами, ориентированными вдоль строк и столбцов соответствующей подрешетки, введены параллельно расположенные линейки фазовращателей и платы управления, а в блок управления лучом введены два спецвычислителя, идентичных первому, причем каждый спецвычислитель соединен с выходами ячеек управления соответствующей подрешетки и выполнен с возможностью формирования величин фазовых сдвигов для фазовращателей соответствующей подрешетки в соответствии с выражением
ϕi= k1·xi+k2yi+k3zi+

где K1, K2, K3 коды фазовых набегов по столбцам и строкам для соответствующей подрешетки;
λ длина волны;
xi, yi, zi координаты излучателя круговой поляризации;
H высота фокального кольца облучателя над апертурой ФАР;
rо радиус фокального кольца облучателя;
Ri радиус-вектор излучателя круговой поляризации;
ji начальная фазовая длина i-го фазовращателя.