Цифровая антенная решетка патент

Цифровая кольцевая антенная решётка

Владельцы патента RU 2630846:

Изобретение относится к антенной технике и, в частности, к конструированию цифровых кольцевых антенных решеток (ЦКАР). Цифровая кольцевая антенная решетка содержит печатные антенные излучатели, полосковые и микрополосковые линии передачи, линии питания и управления, антенна выполнена в виде круглой формы, где установлены печатные антенные излучатели, основание выполнено в виде составного металлического многогранника, аппроксимирующего тороид, на лицевой стороне основания расположены печатные излучатели антенные (тип антенны — Вивальди), соединенные высокочастотными разъемами с цифровыми приемопередающими модулями, расположенными на противоположной стороне основания, модули системы питания, модули функционального управления и обработки информации, модуль синтезатора сигналов и разветвителя частоты, которые установлены на составное металлическое основание через теплопроводящую прокладку и прижимаемые резьбовыми фиксаторами. Технический результат заключается в повышении точности определения координат и повышении быстродействия за счет цифровой обработки и синтеза сигналов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к антенной технике и, в частности, к конструированию цифровых кольцевых антенных решеток (ЦКАР).

Известна кольцевая фазированная антенная решетка [SU №1531183 A1, H01Q 3/26, опубл. 23.12.1989], содержащая K=n*N излучателей, разнесенных на угол 360°/K, N многопозиционных коммутаторов, n выходов каждого из которых соединены с соответствующими излучателями, разнесенными на угол 360°/n, а первые входы каждого многопозиционного коммутатора через последовательно соединенные аттенюаторы и фазовращатели подключены к N выходам делителя мощности, и блок управления, выходы которого подключены к управляющим входам многопозиционных коммутаторов, фазовращателей и аттенюаторов, отличающаяся тем, что многонозиционные коммутаторы выполнены с двумя СВЧ-входами, делитель мощности выполнен с 2 N выходами, причем второй вход каждого многопозиционного коммутатора присоединен к соответствующему выходу делителя мощности, причем каждый из N многопозиционных коммутаторов с n выходами содержит два разветвителя на n направлений, одноименные плечи которых соединены в общую точку и в каждом плече на ра сстоянии Д/4 от точек разветвления и общей точки установлены коммутирующие диоды, подключенные к блоку управления, причем волновые сопротивления плеч от точки разветвления до коммутирующих диодов равны W yn-1, где W — волновое сопротивление плеч от коммутирующих диодов до общей точки.

Недостатоком данной кольцевой фазированной антенной решетки являются большие габаритные размеры, масса и связанные с этим большая потребляемая мощность и тепловыделение антенны.

Наиболее близкой к заявляемой является активная фазированная антенная решетка [RU №88214 U1, H01Q 21/00, опубл. 27.10.2009], содержащая печатные антенные излучатели, полосковые и микрополосковые линии передачи, линии питания и управления, причем она выполнена в виде металлического диска круглой формы, на одной стороне которого расположены активные элементы, фазовращатели и аттенюаторы, делители мощности, а на противоположной стороне расположены элементы схемы управления, элементы схемы питания, и по окружности диска установлены печатные антенные излучатели, причем активные элементы и излучатели объединены в группы по окружности, а группы соединены между собой, при этом активные элементы установлены на печатных платах, а элементы схемы управления и элементы схемы питания установлены на многослойных печатных платах, причем каждый антенный излучатель выполнен в виде симметричного печатного вибратора с рефлектором и директором, причем активные элементы выполнены в виде приемных малошумящих усилителей и/или в виде передающих усилителей мощности.

Недостатком данной кольцевой фазированной антенной решетки является небольшая точность опрделения координат и низкое быстродействие за счет аналоговой обработки и синтеза сигналов.

Техническим результатом является повышение точности определения координат и повышение быстродействия за счет цифровой обработки и синтеза сигналов.

Технический результат достигается тем, что в цифровой кольцевой антенной решетке, содержащей печатные антенные излучатели, полосковые и микрополосковые линии передачи, линии питания и управления, антенна выполнена в виде круглой формы, где установлены печатные антенные излучатели, дополнительно введено основание и выполнено в виде составного металлического многогранника, аппроксимирующего тороид, на лицевой стороне основания расположены печатные антенные излучатели (тип антенны — Вивальди), соединенные высокочастотными разъемами с цифровыми приемопередающими модулями, расположенными на противоположной стороне основания, модули системы питания, модули функционального управления и обработки информации, модуль синтезатора сигналов и разветвителя частоты, которые установлены на составное металлическое основание через теплопроводящую прокладку и прижимаемые резьбовыми фиксаторами, причем приемопередающие и печатные антенные излучатели объединены в группы по шести секторам, а группы соединены между собой высокочастотными кабелями, расположенными на модуле функционального управления и обработки информации, причем электрорадиоизделия и электрорадиоизделия СВЧ установлены на печатных платах СВЧ, а ЭРИ управления и ЭРИ схемы питания установлены на многослойных печатных платах.

Введение указанных дополнительных элементов и последовательности и их соединения обеспечивают повышение точности определения координат и повышение быстродействия за счет цифровой обработки и синтеза сигналов.

На фиг. 1 представлена схема цифровой кольцевой антенной решетки.

На фиг. 2 представлен общий вид цифрового приемопередающего модуля.

Цифровая кольцевая антенная решетка (фиг. 1) содержит цифровые восьмиканальные приемопередающие модули (ЦППМ) 1, электрорадиоизделия (ЭРИ) и ЭРИ СВЧ (не показаны), печатные антенные излучатели 2, модули подсистемы питания 3, модуль функционального управления и обработки информации 4, модуль синтезатора сигналов и разветвителя частоты 5, составное металлическое основание 6, вычислительный блок (не показан), составное композитное радиопрозрачное укрытие (не показано), линии питания и управления (не показаны), полосковые и микрополосковые линии передачи (не показаны).

Цифровая кольцевая антенная решетка (фиг. 1) содержит печатные антенные излучатели 2, полосковые и микрополосковые линии передачи, линии питания и управления, антенна выполнена в виде круглой формы, где установлены печатные антенные излучатели 2, основание 6 выполнено в виде составного металлического многогранника, аппроксимирующего тороид, на лицевой стороне основания расположены печатные антенные излучатели 2 (тип антенны — Вивальди), соединенные высокочастотными разъемами с цифровыми приемопередающими модулями 1, расположенными на противоположной стороне основания, модули системы питания 3, модули 4 функционального управления и обработки информации, модуль 5 синтезатора сигналов и разветвителя частоты, которые установлены на составное металлическое основание через теплопроводящую прокладку и прижимаемые резьбовыми фиксаторами, причем приемопередающие и печатные антенные излучатели объединены в группы по шести секторам, а группы соединены между собой высокочастотными кабелями, расположенными на модуле функционального управления и обработки информации, причем электрорадиоизделия и электрорадиоизделия СВЧ установлены на печатных платах СВЧ, а ЭРИ управления и ЭРИ схемы питания установлены на многослойных печатных платах.

Пример исполнения антенны

Большая часть существующих на сегодняшний день РЛС выполнена с использованием рупорно-щелевых антенн. Как правило, конструктивно РЛС разделяются на два устройства:

— антенна с приемопередатчиком в устройстве сканирования;

— компьютерный индикатор со средством автоматической радиолокационной прокладки и блоком питания.

К недостаткам таких РЛС можно отнести невозможность идентификации целей, ухудшение характеристик в сложных погодных условиях, низкая скорость сканирования окружающей обстановки, необходимость проводить частое техническое обслуживание.

Выполнение цифровой радиолокационной станции и, в частности антенн, в виде набора печатных плат СВЧ и многослойных плат позволяет использовать достижения интегральной технологии при проектировании. Объединение приемопередающих модулей и печатных антенных 2 излучателей в группы на составном металлическом основании 6, а также управление каждым излучателем 2 позволяет обеспечить равномерное распределение как передающей мощности (в режиме передачи), так и принимаемой мощности (в режиме приема) при сканировании по сектору тора. Составное металлическое основание 6 в форме многогранника, аппроксимирующего тор (24 грани), на каждой грани (подрешетки) выполняет функцию экрана теплоотвода и несущей конструкции. ЦКАР является приемопередающей, ее активные элементы СВЧ в составе каждого канала цифрового приемопередающего модуля 1 выполнены в виде монолитных интегральных схем (МИС) малошумящего усилителя (МШУ) и МИС усилителя мощности. Каждый печатный антенный излучатель 2 выполнен в виде печатного вибратора с делителем мощности и системой директоров. Кроме того, данная конструкция позволяет обеспечить большую эффективность ЦКАР за счет более высокой технологичности, более высокой надежности, более низкой себестоимости и за счет снижения массогабаритных характеристик. Кроме того, подобная конструкция ЦКАР обеспечивает более широкие функциональные возможности при проектировании крупногабаритных антенных систем, в которых она может использоваться как элемент системы (например, при проектировании ЦКАР в виде цилиндрической конструкции).

Также преимуществами заявляемой ЦКАР является то, что антенные элементы расположены в форме многогранника, модульность и универсальность конструкции приемопередающего модуля, внутри корпуса расположена не только система питания и управления, но и система обработки сигналов, а также блок сопряжения с индикаторным устройством, диаметр конструкции определяется исходя из требуемой ширины диаграммы направленности, выполнение антенны в виде одного ряда приемопередающих модулей обеспечивает уменьшение габаритных размеров, массы, потребляемой мощности, тепловыделения, улучшает ремонтопригодность, антенные элементы выполнены в виде пассивных печатных антенных излучателей, а алгоритмы обработки информации с учетом выбранной конструкции обеспечивают режим сверхразрешения.

Читайте так же:  Можно ли вернуть игрушку без упаковки

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет обеспечить повышение точности определения координат и повышение быстродействия за счет цифровой обработки и синтеза сигналов.

1. Цифровая кольцевая антенная решетка, содержащая печатные антенные излучатели, полосковые и микрополосковые линии передачи, линии питания и управления, антенна выполнена в виде круглой формы, где установлены печатные антенные излучатели, отличающаяся тем, основание выполнено в виде составного металлического многогранника, аппроксимирующего тороид, на лицевой стороне основания расположены печатные антенные излучатели (тип антенны — Вивальди), соединенные высокочастотными разъемами с цифровыми приемопередающими модулями, расположенными на противоположной стороне основания, модули системы питания, модули функционального управления и обработки информации, модуль синтезатора сигналов и разветвителя частоты, которые установлены на составное металлическое основание через теплопроводящую прокладку и прижимаемые резьбовыми фиксаторами.

2. Цифровая кольцевая антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что приемопередающие и печатные антенные излучатели объединены в группы по шести секторам, а группы соединены между собой высокочастотными кабелями, расположенными на модуле функционального управления и обработки информации.

3. Цифровая кольцевая антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что электрорадиоизделия (ЭРИ) и электрорадиоизделия СВЧ установлены на печатных платах СВЧ, а ЭРИ управления и ЭРИ схемы питания установлены на многослойных печатных платах.

Цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции

Владельцы патента RU 2584458:

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокационных системах. Технический результат — упрощение устройства и увеличение сектора сканирования при постоянной амплитуде главного лепестка ДН антенной решетки. Для этого устройство содержит антенную решетку из N приемных антенных модулей, устройство оцифровки приемных сигналов, цифровое устройство выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве антенны по каждому из сканирующих лучей, устройство цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности (ДН), каждый приемный антенный модуль дополнительно содержит цифровое устройство формирования ДН, при этом цифровое устройство выработки весовых коэффициентов выполнено с возможностью формирования в раскрыве цифровой приемной антенной решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует ДН, по форме близкая к столообразной. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокационных системах.

Известна цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции, содержащая антенную решетку из N приемных антенных модулей, выходы которых соединены со входами устройства преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму (оцифровки сигналов) приемной антенной решетки, цифровое устройство выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной антенной решетки по каждому из сканирующих лучей — диаграмм направленности (ДН), соединенное с устройством цифрового формирования М сканирующих лучей (RU 2395140 С2, 20.07.2010).

Цифровые приемные антенные решетки характеризуются сравнительно большим количеством сложных и дорогих аналоговых приемных устройств и аналого-цифровых преобразователей (АЦП) по сравнению с фазирующими устройствами в обычных фазированных антенных решетках (ФАР), поэтому при проектировании цифровых решеток очень остро стоит вопрос уменьшения количества приемных устройств и АЦП.

Количество приемных устройств определяется шагом антенной решетки, т.е. отношением расстояния между приемными антенными элементами к длине волны (d/λ). Для уменьшения количества приемных устройств необходимо увеличить шаг антенной решетки при одной и той же апертуре. Однако с увеличением шага антенной решетки (при d/λ >0,5) при сканировании луча за пределами сектора сканирования появляются побочные максимумы ДН (дифракционные лепестки), которые при увеличении сектора сканирования могут достигать уровня главного максимума ДН антенной решетки.

Другим недостатком традиционных антенных решеток, в том числе цифровых, является изменение амплитуды основной ДН в секторе сканирования примерно по закону cos θ, где θ — угол сканирования (отклонение относительно нормали к плоскости антенной решетки).

Известно теоретическое решение этой проблемы. Например, если сделать так, что ДН некоего «идеального» антенного модуля антенной решетки равнялась бы нулю вне сектора сканирования (см. Фиг. 1), а внутри сектора сканирования равнялась бы единице (ДН столообразной формы), то, поскольку ДН решетки получается перемножением ДН антенного модуля и множителя антенной решетки, дифракционные лепестки будут подавлены, так как умножаются на нулевые значения за пределами ДН «идеального» антенного модуля, а максимум главного лепестка ДН решетки будет равным единице во всем секторе сканирования.

Для того чтобы реализовать такую антенну, необходимо устройство, которое бы имело количество входов в раскрыве антенной решетки, равное количеству приемных элементов, и такое же число выходных каналов. Для простоты пояснения удобно рассмотреть такую антенную решетку в режиме передачи, т.е. выходные каналы обозначить как входные, а приемные антенные модули обозначить как излучающие элементы антенной решетки.

Для формирования столообразной ДН каждым излучателем необходимо, чтобы при возбуждении каждого входного канала в апертуре антенной решетки формировалось бы амплитудно-фазовое распределение, близкое к sinU/U, где U — относительное отклонение луча от нормали к плоскости антенной решетки; при этом фазовый центр каждого из формируемых амплитудно-фазовых распределений должен соответствовать положению в антенной решетке того входного канала, с которого было возбуждено данное амплитудно-фазовое распределение. В конструктивном отношении это означает, что каждый вход антенной решетки должен быть соединен одновременно со всеми излучающими элементами антенной решетки, причем коэффициенты передачи от входного канала ко всем выходным должны быть различными по амплитуде и фазе.

В области СВЧ-техники реализация таких принципов построения приемной антенной решетки крайне затруднительна и, теоретически, все описанные связи должны формироваться на базе чисто реактивных СВЧ-элементов.

В то же время, реализация вышеописанных принципов построения приемной антенной решетки при переводе их в область цифровых технологий очевидна и подтверждается практикой формирования с одной апертуры нескольких независимо сканирующих лучей в цифровой приемной антенной решетке, так как формирование нескольких амплитудно-фазовых распределений осуществляется цифровым (программным) способом на уровне многоканальной параллельной цифровой обработки принятых сигналов.

Технический результат состоит в уменьшении в цифровой приемной антенной решетке количества приемных устройств и АЦП, в увеличении сектора сканирования при постоянной амплитуде главного лепестка ДН антенной решетки.

Для этого в цифровую сканирующую приемную антенную решетку для радиолокационной станции по первому варианту, содержащую антенную решетку из N приемных антенных модулей, при этом принимаемый комплексный сигнал с каждого антенного модуля раскладывается на две квадратурные составляющие, образуя N пар сигналов, поступающих на соответствующие N пар входов устройства оцифровки, на выходе которого формируется N пар цифровых сигналов, к которым подмешиваются соответствующие цифровые сигналы, поступающие с цифрового устройства выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной антенной решетки по каждому из сканирующих лучей, соединенного с устройством цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности (ДН), согласно изобретению дополнительно введено цифровое устройство формирования диаграммы направленности в каждом приемном антенном модуле, подключенное N парами своих входов к соответствующим выходным каналам устройства оцифровки приемных каналов, а своими выходными каналами к N парам входных каналов устройства цифрового формирования сканирующих ДН приемной антенной решетки, при этом к устройству цифрового формирования ДН в каждом приемном антенном модуле подключено цифровое устройство выработки весовых коэффициентов, выполненное с возможностью формирования в раскрыве цифровой приемной антенной решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует диаграмма направленности, по форме близкая к столообразной.

Технический результат по второму варианту достигается тем, что в цифровую сканирующую приемную антенную решетку для радиолокационной станции, содержащую решетку из N приемных антенных модулей, при этом принимаемый комплексный сигнал с каждой подрешетки раскладывается на две квадратурные составляющие, образуя N пар сигналов, поступающих на соответствующие N пар входов устройства оцифровки, на выходе устройства оцифровки сигналов приемной антенной решетки формируется N пар цифровых сигналов, к которым подмешиваются соответствующие цифровые сигналы, поступающие с цифрового устройства выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной решетки по каждому из сканирующих лучей, соединенного с устройством цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности, согласно изобретению дополнительно введено цифровое устройство формирования диаграммы направленности (ДН) в каждом приемном антенном модуле, подключенное N парами своих входов к соответствующим выходным каналам устройства оцифровки приемных каналов, а своими выходными каналами к N парам входных каналов устройства цифрового формирования сканирующих ДН приемной антенной решетки, при этом к устройству цифрового формирования ДН в каждом приемном антенном модуле подключено цифровое устройство выработки весовых коэффициентов, выполненное с возможностью формирования в раскрыве цифровой решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует диаграмма направленности, по форме близкая к столообразной, причем формирование ДН в каждом приемном антенном модуле осуществляется программным способом на уровне внутримашинного обмена.

Читайте так же:  Оформить сингапурскую визу

На Фиг. 2 показана структурная схема цифровой сканирующей приемной антенной решетки.

Приемная антенная решетка для радиолокационной станции содержит антенную решетку 1 из N приемных антенных модулей, устройство оцифровки 2, цифровое устройство 3 формирования ДН в каждом приемном антенном модуле, цифровое устройство выработки весовых коэффициентов 4, выполненное с возможностью формирования в раскрыве цифровой антенной решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, устройство 5 цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности, цифровое устройство 6 выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной антенной решетки по каждой из сканирующих М диаграмм направленности.

Цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции работает следующим образом.

Плоская электромагнитная волна падает на N антенных модулей, образующих раскрыв антенной решетки, в общем случае под некоторым углом, в результате чего в апертуре антенной решетки формируется равноамплитудное распределение с постоянным фазовым сдвигом между антенными модулями, пропорциональным углу падения плоской волны. Совокупность антенных модулей и приемных устройств образует решетку приемных антенных модулей 1. СВЧ-энергия электромагнитной волны с выходов антенных модулей проходит на соответствующие N входов приемных устройств. На выходах приемных модулей выделяется комплексный сигнал промежуточной частоты в виде двух квадратурных составляющих (условно cos и sin), так что на выходе приемной антенной решетки образуются N пар сигналов, поступающих на соответствующие N пар входов устройства оцифровки 2, где осуществляется дискретизация сигналов и их квантование в соответствующих N парах модулей аналого-цифрового преобразования. Таким образом, решетка приемных модулей и устройство оцифровки приемных сигналов образуют цифровую приемную антенную решетку (ЦАР), у которой на выходе в цифровом виде имеет место амплитудно-фазовое распределение (АФР), повторяющее АФР на входах устройства 1. Диаграмма направленности такой ЦАР соответствует ДН традиционных антенных решеток, и ДН ее приемных антенных модулей по форме близки к косинусоидальной.

С выходов устройства 2 сигналы в цифровом виде поступают на соответствующие входы устройства цифрового формирования ДН в каждом приемном антенном модуле, к которому подключено цифровое устройство выработки весовых коэффициентов, выполненное с возможностью формирования в раскрыве ЦАР N АФР вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует диаграмма направленности, по форме близкая к столообразной.

С этой целью во входных каналах устройства 3 приемные сигналы перемножаются с соответствующими цифровыми сигналами весовых коэффициентов, поступающих из устройства 4. Таким образом, на выходе устройства 4 будем иметь выходные каналы ЦАР, у которой каждым приемным модулем будет формироваться ДН, близкая к столообразной.

1. Цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции, содержащая решетку из N приемных антенных модулей, при этом принимаемый комплексный сигнал с каждой подрешетки раскладывается на две квадратурные составляющие, образуя N пар сигналов, поступающих на соответствующие N пар входов устройства оцифровки, на выходе устройства оцифровки сигналов приемной антенной решетки формируется N пар цифровых сигналов, к которым подмешиваются соответствующие цифровые сигналы, поступающие с цифрового устройства выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной решетки по каждому из сканирующих лучей, соединенного с устройством цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности, отличающаяся тем, что дополнительно введено цифровое устройство формирования диаграммы направленности (ДН) в каждом приемном антенном модуле, подключенное N парами своих входов к соответствующим выходным каналам устройства оцифровки приемных каналов, а своими выходными каналами к N парам входных каналов устройства цифрового формирования сканирующих ДН приемной антенной решетки, при этом к устройству цифрового формирования ДН в каждом приемном антенном модуле подключено цифровое устройство выработки весовых коэффициентов, выполненное с возможностью формирования в раскрыве цифровой решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует диаграмма направленности, по форме близкая к столообразной.

2. Цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции, содержащая решетку из N приемных антенных модулей, при этом принимаемый комплексный сигнал с каждой подрешетки раскладывается на две квадратурные составляющие, образуя N пар сигналов, поступающих на соответствующие N пар входов устройства оцифровки, на выходе устройства оцифровки сигналов приемной антенной решетки формируется N пар цифровых сигналов, к которым подмешиваются соответствующие цифровые сигналы, поступающие с цифрового устройства выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной решетки по каждому из сканирующих лучей, соединенного с устройством цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности, отличающаяся тем, что дополнительно введено цифровое устройство формирования диаграммы направленности (ДН) в каждом приемном антенном модуле, подключенное N парами своих входов к соответствующим выходным каналам устройства оцифровки приемных каналов, а своими выходными каналами к N парам входных каналов устройства цифрового формирования сканирующих ДН приемной антенной решетки, при этом к устройству цифрового формирования ДН в каждом приемном антенном модуле подключено цифровое устройство выработки весовых коэффициентов, выполненное с возможностью формирования в раскрыве цифровой решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует диаграмма направленности, по форме близкая к столообразной, причем формирование ДН в каждом приемном антенном модуле осуществляется программным способом на уровне внутримашинного обмена.

цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокационных системах. Технический результат — упрощение устройства и увеличение сектора сканирования при постоянной амплитуде главного лепестка ДН антенной решетки. Для этого устройство содержит антенную решетку из N приемных антенных модулей, устройство оцифровки приемных сигналов, цифровое устройство выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве антенны по каждому из сканирующих лучей, устройство цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности (ДН), каждый приемный антенный модуль дополнительно содержит цифровое устройство формирования ДН, при этом цифровое устройство выработки весовых коэффициентов выполнено с возможностью формирования в раскрыве цифровой приемной антенной решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует ДН, по форме близкая к столообразной. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2584458

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокационных системах.

Известна цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции, содержащая антенную решетку из N приемных антенных модулей, выходы которых соединены со входами устройства преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму (оцифровки сигналов) приемной антенной решетки, цифровое устройство выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной антенной решетки по каждому из сканирующих лучей — диаграмм направленности (ДН), соединенное с устройством цифрового формирования М сканирующих лучей (RU 2395140 С2, 20.07.2010).

Цифровые приемные антенные решетки характеризуются сравнительно большим количеством сложных и дорогих аналоговых приемных устройств и аналого-цифровых преобразователей (АЦП) по сравнению с фазирующими устройствами в обычных фазированных антенных решетках (ФАР), поэтому при проектировании цифровых решеток очень остро стоит вопрос уменьшения количества приемных устройств и АЦП.

Количество приемных устройств определяется шагом антенной решетки, т.е. отношением расстояния между приемными антенными элементами к длине волны (d/ ). Для уменьшения количества приемных устройств необходимо увеличить шаг антенной решетки при одной и той же апертуре. Однако с увеличением шага антенной решетки (при d/ >0,5) при сканировании луча за пределами сектора сканирования появляются побочные максимумы ДН (дифракционные лепестки), которые при увеличении сектора сканирования могут достигать уровня главного максимума ДН антенной решетки.

Другим недостатком традиционных антенных решеток, в том числе цифровых, является изменение амплитуды основной ДН в секторе сканирования примерно по закону cos , где — угол сканирования (отклонение относительно нормали к плоскости антенной решетки).

Известно теоретическое решение этой проблемы. Например, если сделать так, что ДН некоего «идеального» антенного модуля антенной решетки равнялась бы нулю вне сектора сканирования (см. Фиг. 1), а внутри сектора сканирования равнялась бы единице (ДН столообразной формы), то, поскольку ДН решетки получается перемножением ДН антенного модуля и множителя антенной решетки, дифракционные лепестки будут подавлены, так как умножаются на нулевые значения за пределами ДН «идеального» антенного модуля, а максимум главного лепестка ДН решетки будет равным единице во всем секторе сканирования.

Для того чтобы реализовать такую антенну, необходимо устройство, которое бы имело количество входов в раскрыве антенной решетки, равное количеству приемных элементов, и такое же число выходных каналов. Для простоты пояснения удобно рассмотреть такую антенную решетку в режиме передачи, т.е. выходные каналы обозначить как входные, а приемные антенные модули обозначить как излучающие элементы антенной решетки.

Для формирования столообразной ДН каждым излучателем необходимо, чтобы при возбуждении каждого входного канала в апертуре антенной решетки формировалось бы амплитудно-фазовое распределение, близкое к sinU/U, где U — относительное отклонение луча от нормали к плоскости антенной решетки; при этом фазовый центр каждого из формируемых амплитудно-фазовых распределений должен соответствовать положению в антенной решетке того входного канала, с которого было возбуждено данное амплитудно-фазовое распределение. В конструктивном отношении это означает, что каждый вход антенной решетки должен быть соединен одновременно со всеми излучающими элементами антенной решетки, причем коэффициенты передачи от входного канала ко всем выходным должны быть различными по амплитуде и фазе.

Читайте так же:  Размер пособия до 1.5 лет в 2019 году на второго ребенка

В области СВЧ-техники реализация таких принципов построения приемной антенной решетки крайне затруднительна и, теоретически, все описанные связи должны формироваться на базе чисто реактивных СВЧ-элементов.

В то же время, реализация вышеописанных принципов построения приемной антенной решетки при переводе их в область цифровых технологий очевидна и подтверждается практикой формирования с одной апертуры нескольких независимо сканирующих лучей в цифровой приемной антенной решетке, так как формирование нескольких амплитудно-фазовых распределений осуществляется цифровым (программным) способом на уровне многоканальной параллельной цифровой обработки принятых сигналов.

Технический результат состоит в уменьшении в цифровой приемной антенной решетке количества приемных устройств и АЦП, в увеличении сектора сканирования при постоянной амплитуде главного лепестка ДН антенной решетки.

Для этого в цифровую сканирующую приемную антенную решетку для радиолокационной станции по первому варианту, содержащую антенную решетку из N приемных антенных модулей, при этом принимаемый комплексный сигнал с каждого антенного модуля раскладывается на две квадратурные составляющие, образуя N пар сигналов, поступающих на соответствующие N пар входов устройства оцифровки, на выходе которого формируется N пар цифровых сигналов, к которым подмешиваются соответствующие цифровые сигналы, поступающие с цифрового устройства выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной антенной решетки по каждому из сканирующих лучей, соединенного с устройством цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности (ДН), согласно изобретению дополнительно введено цифровое устройство формирования диаграммы направленности в каждом приемном антенном модуле, подключенное N парами своих входов к соответствующим выходным каналам устройства оцифровки приемных каналов, а своими выходными каналами к N парам входных каналов устройства цифрового формирования сканирующих ДН приемной антенной решетки, при этом к устройству цифрового формирования ДН в каждом приемном антенном модуле подключено цифровое устройство выработки весовых коэффициентов, выполненное с возможностью формирования в раскрыве цифровой приемной антенной решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует диаграмма направленности, по форме близкая к столообразной.

Технический результат по второму варианту достигается тем, что в цифровую сканирующую приемную антенную решетку для радиолокационной станции, содержащую решетку из N приемных антенных модулей, при этом принимаемый комплексный сигнал с каждой подрешетки раскладывается на две квадратурные составляющие, образуя N пар сигналов, поступающих на соответствующие N пар входов устройства оцифровки, на выходе устройства оцифровки сигналов приемной антенной решетки формируется N пар цифровых сигналов, к которым подмешиваются соответствующие цифровые сигналы, поступающие с цифрового устройства выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной решетки по каждому из сканирующих лучей, соединенного с устройством цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности, согласно изобретению дополнительно введено цифровое устройство формирования диаграммы направленности (ДН) в каждом приемном антенном модуле, подключенное N парами своих входов к соответствующим выходным каналам устройства оцифровки приемных каналов, а своими выходными каналами к N парам входных каналов устройства цифрового формирования сканирующих ДН приемной антенной решетки, при этом к устройству цифрового формирования ДН в каждом приемном антенном модуле подключено цифровое устройство выработки весовых коэффициентов, выполненное с возможностью формирования в раскрыве цифровой решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует диаграмма направленности, по форме близкая к столообразной, причем формирование ДН в каждом приемном антенном модуле осуществляется программным способом на уровне внутримашинного обмена.

На Фиг. 2 показана структурная схема цифровой сканирующей приемной антенной решетки.

Приемная антенная решетка для радиолокационной станции содержит антенную решетку 1 из N приемных антенных модулей, устройство оцифровки 2, цифровое устройство 3 формирования ДН в каждом приемном антенном модуле, цифровое устройство выработки весовых коэффициентов 4, выполненное с возможностью формирования в раскрыве цифровой антенной решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, устройство 5 цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности, цифровое устройство 6 выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной антенной решетки по каждой из сканирующих М диаграмм направленности.

Цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции работает следующим образом.

Плоская электромагнитная волна падает на N антенных модулей, образующих раскрыв антенной решетки, в общем случае под некоторым углом, в результате чего в апертуре антенной решетки формируется равноамплитудное распределение с постоянным фазовым сдвигом между антенными модулями, пропорциональным углу падения плоской волны. Совокупность антенных модулей и приемных устройств образует решетку приемных антенных модулей 1. СВЧ-энергия электромагнитной волны с выходов антенных модулей проходит на соответствующие N входов приемных устройств. На выходах приемных модулей выделяется комплексный сигнал промежуточной частоты в виде двух квадратурных составляющих (условно cos и sin), так что на выходе приемной антенной решетки образуются N пар сигналов, поступающих на соответствующие N пар входов устройства оцифровки 2, где осуществляется дискретизация сигналов и их квантование в соответствующих N парах модулей аналого-цифрового преобразования. Таким образом, решетка приемных модулей и устройство оцифровки приемных сигналов образуют цифровую приемную антенную решетку (ЦАР), у которой на выходе в цифровом виде имеет место амплитудно-фазовое распределение (АФР), повторяющее АФР на входах устройства 1. Диаграмма направленности такой ЦАР соответствует ДН традиционных антенных решеток, и ДН ее приемных антенных модулей по форме близки к косинусоидальной.

С выходов устройства 2 сигналы в цифровом виде поступают на соответствующие входы устройства цифрового формирования ДН в каждом приемном антенном модуле, к которому подключено цифровое устройство выработки весовых коэффициентов, выполненное с возможностью формирования в раскрыве ЦАР N АФР вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует диаграмма направленности, по форме близкая к столообразной.

С этой целью во входных каналах устройства 3 приемные сигналы перемножаются с соответствующими цифровыми сигналами весовых коэффициентов, поступающих из устройства 4. Таким образом, на выходе устройства 4 будем иметь выходные каналы ЦАР, у которой каждым приемным модулем будет формироваться ДН, близкая к столообразной.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции, содержащая решетку из N приемных антенных модулей, при этом принимаемый комплексный сигнал с каждой подрешетки раскладывается на две квадратурные составляющие, образуя N пар сигналов, поступающих на соответствующие N пар входов устройства оцифровки, на выходе устройства оцифровки сигналов приемной антенной решетки формируется N пар цифровых сигналов, к которым подмешиваются соответствующие цифровые сигналы, поступающие с цифрового устройства выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной решетки по каждому из сканирующих лучей, соединенного с устройством цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности, отличающаяся тем, что дополнительно введено цифровое устройство формирования диаграммы направленности (ДН) в каждом приемном антенном модуле, подключенное N парами своих входов к соответствующим выходным каналам устройства оцифровки приемных каналов, а своими выходными каналами к N парам входных каналов устройства цифрового формирования сканирующих ДН приемной антенной решетки, при этом к устройству цифрового формирования ДН в каждом приемном антенном модуле подключено цифровое устройство выработки весовых коэффициентов, выполненное с возможностью формирования в раскрыве цифровой решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует диаграмма направленности, по форме близкая к столообразной.

2. Цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции, содержащая решетку из N приемных антенных модулей, при этом принимаемый комплексный сигнал с каждой подрешетки раскладывается на две квадратурные составляющие, образуя N пар сигналов, поступающих на соответствующие N пар входов устройства оцифровки, на выходе устройства оцифровки сигналов приемной антенной решетки формируется N пар цифровых сигналов, к которым подмешиваются соответствующие цифровые сигналы, поступающие с цифрового устройства выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной решетки по каждому из сканирующих лучей, соединенного с устройством цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности, отличающаяся тем, что дополнительно введено цифровое устройство формирования диаграммы направленности (ДН) в каждом приемном антенном модуле, подключенное N парами своих входов к соответствующим выходным каналам устройства оцифровки приемных каналов, а своими выходными каналами к N парам входных каналов устройства цифрового формирования сканирующих ДН приемной антенной решетки, при этом к устройству цифрового формирования ДН в каждом приемном антенном модуле подключено цифровое устройство выработки весовых коэффициентов, выполненное с возможностью формирования в раскрыве цифровой решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует диаграмма направленности, по форме близкая к столообразной, причем формирование ДН в каждом приемном антенном модуле осуществляется программным способом на уровне внутримашинного обмена.

Цифровая антенная решетка патент