RU119530U1 - ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY - Google Patents

Abstract

1. Активная фазированная антенная решетка, содержащая излучатели, размещенные на экране и соединенные соответственно с приемопередающими модулями, отличающаяся тем, что излучатели расположены равномерно не эквидистантно, а приемопередающие модули выполнены с возможностью цифровой обработки сигнала на несущей частоте. ! 2. Активная фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что излучатели расположены по концентрическим окружностям. 1. An active phased antenna array containing emitters placed on the screen and connected, respectively, with transceiver modules, characterized in that the emitters are not evenly equidistantly spaced, and the transceiver modules are made with the possibility of digital signal processing at the carrier frequency. ! 2. Active phased antenna array according to claim 1, characterized in that the radiators are located along concentric circles.

Description

Полезная модель относится к антенной технике и может использоваться в системах радиопеленгации и радиосвязи.The utility model relates to antenna technology and can be used in radio direction finding and radio communication systems.

Известна активная фазированная антенная решетка (АФАР), состоящая из т-излучателей, соединенных с приемо-передающими модулями (ППМ) [Пат. RU №2338307].Known active phased antenna array (AFAR), consisting of t-emitters connected to transceiver modules (PPM) [Pat. RU No. 2338307].

Одной из трудностей практической реализации АФАР является размещение излучателей с шагом порядка половины длины волны. При таком размещении элементов в АФАР очень трудно обеспечить теплоотвод от ППМ, которые обеспечивают в режиме передачи порядка 10 Вт средней мощности при КПД порядка 0,2…0,3. Вследствие низкого КПД, в Х-диапазоне возникают большие тепловые потери мощности. Поэтому такие АФАР требуют разработки теплоотвода, особенно если антенная решетка имеет большие размеры. При переходе на миллиметровый диапазон обычное выполнение АФАР на ППМ еще больше усложняется. Кроме необходимости обеспечения теплоотвода возникают задачи управления во всех каналах фазовращателями и аттенюаторами и подведения питания и т.д.One of the difficulties in the practical implementation of AFAR is the placement of emitters in increments of the order of half the wavelength. With this arrangement of elements in the AFAR, it is very difficult to provide heat removal from the PMD, which provide in the transfer mode about 10 W of average power with an efficiency of about 0.2 ... 0.3. Due to the low efficiency, large thermal power losses occur in the X-band. Therefore, such AFARs require the development of a heat sink, especially if the antenna array is large. When switching to the millimeter range, the usual implementation of AFAR on the PPM becomes even more complicated. In addition to the need for heat removal, control problems arise in all channels with phase shifters and attenuators and power supply, etc.

Известна также кольцевая концентрическая антенная решетка, представляющая собой плоскую решетку с круглым раскрывом, элементы которой распределены эквидистантно или по другому закону [2]. При формировании луча в плоскости, ортогональной плоскости апертуры, эта решетка работает как обычная плоская антенная решетка с прямоугольной апертурой. Расстояние между излучателями такой решетки должно быть меньше λ без сканирования и при сканировании. К одному из недостатков можно отнести малый шаг излучателей. При увеличении шага излучателей в решетке возникают дифракционные максимумы. Вторым недостатком можно считать ограниченный сектор сканирования ±60 относительно нормали.Also known is a circular concentric antenna array, which is a flat array with a round opening, the elements of which are distributed equidistantly or according to another law [2]. When a beam is formed in a plane orthogonal to the plane of the aperture, this array works like a regular flat antenna array with a rectangular aperture. The distance between the emitters of such a grating should be less than λ without scanning and when scanning. One of the disadvantages is the small pitch of the emitters. With an increase in the emitter pitch, diffraction maxima appear in the grating. The second drawback can be considered a limited scanning sector of ± 60 relative to the normal.

Известна также АФАР [пат. RU №2310956], позволяющая существенно увеличить расстояние между излучателями, не ухудшив направленные свойства, а следовательно, и характеристики разрешения всей радиосистемы. Однако, в рассматриваемой схеме построения антенной решетки, излучатели размещаются только на нескольких внешних кольцах большого радиуса и не заполняют апертуру. Это приводит к сравнительно высокому уровню боковых лепестков.Afar is also known [US Pat. RU No. 2310956], which allows to significantly increase the distance between the emitters without affecting the directional properties, and therefore the resolution characteristics of the entire radio system. However, in the considered scheme for constructing the antenna array, the emitters are placed only on several outer rings of large radius and do not fill the aperture. This leads to a relatively high level of side lobes.

Известна фазированная ФАР, позволяющая уменьшить количество излучателей путем размещения излучателей в виде двух ортогонально расположенных линеек излучателей, а именно, креста Миллса [4]. Такая ФАР обеспечивает высокое угловое разрешение за счет аналоговой корреляционной обработки принятого сигнала. Ее недостатком является малый шаг излучателей в антенной решетке, который нельзя увеличить из-за сложности алгоритма обработки.Known phased phased array, which allows to reduce the number of emitters by placing emitters in the form of two orthogonally located lines of emitters, namely, the Mills cross [4]. Such a PAR provides a high angular resolution due to analog correlation processing of the received signal. Its disadvantage is the small pitch of the emitters in the antenna array, which cannot be increased due to the complexity of the processing algorithm.

Технической задачей заявляемой полезной модели является упрощение распределительной системы активной антенной решетки и улучшение теплоотвода.The technical task of the claimed utility model is to simplify the distribution system of the active antenna array and improve heat dissipation.

Поставленная задача достигается тем, что в активной фазированной антенной решетке, содержащей излучатели, размещенные на экране и соединенные соответственно с приемопередающими модулями, согласно заявляемой полезной модели, излучатели расположены равномерно не эквидистантно, при этом приемо-передающие модули выполнены с возможностью цифровой обработки сигнала на несущей частоте. В частном случае выполнения излучатели могут быть расположены по концентрическим окружностям.The problem is achieved in that in an active phased antenna array containing emitters located on the screen and connected respectively to the transceiver modules, according to the claimed utility model, the emitters are uniformly not equidistant, while the transceiver modules are capable of digital signal processing on the carrier frequency. In the particular case of execution, the emitters can be located on concentric circles.

Упрощение распределительной системы, состоящее в уменьшении числа делителей мощности, достигается за счет цифрового формирования луча, осуществляемого в приемо-передающих модулях, а улучшение теплоотвода от премопередающих моделей - за счет увеличения расстояния между элементами без ухудшения характеристик радиоэлектронной системы, таких, например, как точность обнаружения цели в РЛС, помехозащищенность, разрешающая способность, причем шаг решетки может быть увеличен до нескольких длин волн, например, до трех длин волн, в зависимости от размеров апертуры, при шаге в эквивалентной апертуре, равном рабочей длине волны. Ранее использовалась цифровая обработка на промежуточной частоте, т.к. отсутствовали быстродействующие АЦП и ЦАП. В настоящее время в связи с появлением быстродействующей цифровой аппаратуры появилась возможность осуществлять обработку без преобразования частоты, т.е. на несущей частоте непосредственно в приемо-передающем модуле.Simplification of the distribution system, consisting in reducing the number of power dividers, is achieved by digital beam forming in the transceiver modules, and the improvement of heat removal from the pre-transmitting models is achieved by increasing the distance between the elements without compromising the characteristics of the electronic system, such as accuracy target detection in the radar, noise immunity, resolution, and the lattice pitch can be increased to several wavelengths, for example, up to three wavelengths, depending from the size of the aperture, with a step in the equivalent aperture equal to the working wavelength. Previously used digital processing at an intermediate frequency, because There were no high-speed ADCs and DACs. Currently, in connection with the advent of high-speed digital equipment, it has become possible to process without frequency conversion, i.e. on the carrier frequency directly in the transceiver module.

Полезная модель поясняется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

На фиг.1 приведена схема размещения излучающих элементов в прототипе; на фиг.2 приведена схема размещения излучателей в заявляемой АФАР; на фиг.3 - структурная электрическая схема активной фазированной антенной решетки с одним приемопередающим модулем; на фиг.4а - приведены диаграммы направленности (ДН) антенной решетки в трех разных азимутальных плоскостях, полученные перемножением ДН ортогональных линейных решеток; на фиг.4б - приведена схема размещения элементов в ортогональных решетках; фиг.5 - диаграмма направленности линейной антенной решетки при цифровой обработке; на фиг.6 - ДН антенных решеток - с крестообразным размещением линеек излучателей и по концентрическим окружностям для аналогового метода формирования ДН; фиг.7 - ДН антенных решеток - с крестообразным размещением линеек излучателей и по концентрическим окружностям для цифрового метода формирования ДН.Figure 1 shows the layout of the radiating elements in the prototype; figure 2 shows the layout of the emitters in the inventive AFAR; figure 3 is a structural circuit diagram of an active phased antenna array with one transceiver module; on figa - shows the radiation patterns (MD) of the antenna array in three different azimuthal planes obtained by multiplying the MD of the orthogonal linear arrays; on figb - shows a layout of elements in orthogonal lattices; 5 is a directivity diagram of a linear antenna array in digital processing; figure 6 - the bottom of the antenna arrays - with a crosswise arrangement of the lines of the emitters and in concentric circles for the analog method of forming the bottom; Fig.7 - the bottom of the antenna arrays - with a crosswise arrangement of the lines of the emitters and in concentric circles for the digital method of forming the bottom.

Активная фазированная антенная решетка содержит экран 1, размещенные на экране излучатели 2, каждый из излучателей 2 соединен с приемо-передающим модулем (ППМ) 3, в который входят: цикулятор 4, усилитель 5 передающего канала, малошумящий усилитель 6 приемного канала, блок цифровой обработки 7 передающего канала, блок цифровой обработки 8 приемного канала, генератор 9, приемник - 10, блок синхронизации - 11. Излучатели 2 расположены на экране 1 равномерно не эквидистантно. Частным случаем не эквидистантного расположения излучателей 1 может быть их расположение по концентрическим окружностям, как показано на фиг.2.The active phased antenna array contains a screen 1, emitters 2 placed on the screen, each of the emitters 2 is connected to a transmit-receive module (PPM) 3, which includes: a calculator 4, a transmit channel amplifier 5, a low-noise receive channel amplifier 6, a digital processing unit 7 of the transmitting channel, digital processing unit 8 of the receiving channel, generator 9, receiver - 10, synchronization unit - 11. The emitters 2 are located on the screen 1 uniformly not equidistant. A special case of a non-equidistant arrangement of emitters 1 may be their location along concentric circles, as shown in Fig.2.

Каждый из приемо-передающих модулей 3 выполнен с возможностью цифровой обработки сигнала на несущей частоте, осуществляемой в блоках 7 и 8 на несущей частоте, которые в данном случае включены непосредственно на выходе передающего канала и на входе приемного канала.Each of the transceiver modules 3 is configured to digitally process the signal at the carrier frequency, carried out in blocks 7 and 8 at the carrier frequency, which in this case are connected directly at the output of the transmitting channel and at the input of the receiving channel.

Активная фазированная антенная решетка работает следующим образом. Сигналы от генератора 9 подаются на блок цифровой обработки 7. В блоке цифровой обработки 7 сигналы оцифровываются и путем последовательных преобразований, после прохождения цифровых линий задержки, получают необходимые для формирования ДН амплитуды и фазы. Затем в усилителе 5 сигналы усиливаются и подаются через циркулятор 4 на соответствующий элемент антенной решетки. В режиме приема сигнал, принятый соответствующим элементом подается через циркулятор 4 на вход малошумящего усилителя 6, усиливается до необходимого для цифровой обработки уровня и подается на вход блока цифровой обработки 8. В блоке цифровой обработки 8 сигнал оцифровывается и с помощью цифровых линий задержки к сигналу в канале каждого излучателя 2 добавляется фазовый сдвиг, необходимый для приема сигнала эквивалентной апертурой данной антенной решетки. Затем сигналы суммируются в блоке 8 с соответствующими весовыми коэффициентами. После цифровой обработки сигнал передается на вход приемника 10. Синхронизация оцифрованных сигналов всех элементов антенной решетки осуществляется блоком синхронизации 11.Active phased antenna array operates as follows. The signals from the generator 9 are supplied to the digital processing unit 7. In the digital processing unit 7, the signals are digitized and, after passing through the digital delay lines, receive the amplitudes and phases necessary for generating the DN. Then, in the amplifier 5, the signals are amplified and supplied through the circulator 4 to the corresponding element of the antenna array. In the reception mode, the signal received by the corresponding element is fed through the circulator 4 to the input of the low-noise amplifier 6, amplified to the level required for digital processing, and fed to the input of the digital processing unit 8. In the digital processing unit 8, the signal is digitized and, using digital delay lines, to the signal the channel of each emitter 2 is added to the phase shift necessary to receive the signal with the equivalent aperture of this antenna array. Then the signals are summed in block 8 with the corresponding weights. After digital processing, the signal is transmitted to the input of the receiver 10. The synchronization of the digitized signals of all elements of the antenna array is carried out by the synchronization unit 11.

Полотно приемной цифровой антенной решетки (экран 1) при произвольной структуре размещения излучателей 2 заполняется с шагом, превышающим длину волны на плоскости апертуры антенны. При этом проекция излучателей 2 на эквивалентный линейный излучающий раскрыв не должна превышать длину рабочей волны чтобы не возникали дифракционные максимумы. ДН такой антенны в направлении нормали к плоской апертуре приводит к возникновению побочных (дифракционных) максимумов, а цифровая обработка переводит луч в режиме приема в ортогональную плоскость, в которой побочное излучение отсутствует.The fabric of the receiving digital antenna array (screen 1) with an arbitrary arrangement of emitters 2 is filled with a step exceeding the wavelength on the plane of the antenna aperture. In this case, the projection of the emitters 2 on the equivalent linear radiating opening should not exceed the length of the working wave so that diffraction maxima do not arise. The bottom of such an antenna in the direction normal to the flat aperture leads to the appearance of side (diffraction) maxima, and digital processing translates the beam in reception mode into an orthogonal plane in which side radiation is absent.

Алгоритм преобразования заключается в следующем. В соответствии с цифровыми методами обработки сигналов с использованием метода быстрого преобразования Фурье (БПФ), цифровых линий задержки, можно показать, что ДН при цифровой обработке может быть образована, как произведение диаграмм направленности каждой из линейных антенных решеток: f_x(θ) f_y(θ) (фиг.4а) - где f_x(θ) - диаграмма направленности линейной антенной решетки, расположенной вдоль оси ОХ, полученная в цифровом виде, a f_y(θ) - диаграмма направленности линейной антенной решетки, расположенной вдоль оси OY (фиг.4б), также полученная в цифровом виде. Причем, эта процедура перемножения выполняется также в цифровом виде непосредственно в процессоре в блоке 7.The conversion algorithm is as follows. In accordance with digital methods of signal processing using the fast Fourier transform (FFT) method, digital delay lines, it can be shown that the digital signal processing can be formed as the product of the radiation patterns of each of the linear antenna arrays: f _x (θ) f _y (θ) (Fig. 4a) - where f _x (θ) is the digital radiation pattern of the linear antenna array located along the OX axis, af _y (θ) is the radiation pattern of the linear antenna array located along the OY axis (Fig .4b), also obtained in figures tion form. Moreover, this multiplication procedure is also performed digitally directly in the processor in block 7.

При этом, сравнивая две пространственные ДН, мы видим полную идентичность полной плоской решетки и решетки с числом излучателей не равным произведению, а являющимся суммой излучателей.At the same time, comparing the two spatial patterns, we see the complete identity of the full flat lattice and the lattice with the number of emitters not equal to the product, but the sum of the emitters.

Таким образом, можно существенно уменьшить число излучателей и получить характеристики направленности с сохранением однолучевого режима работы. Полученный результат для цифровой решетки согласуется с теорией радиоастрономических антенн. В радиоастрономии известно решение задачи о получении сверхбольших разрешений с помощью креста Миллса. Крест Миллса также состоит из двух ортогональных решеток, но их разрешение соответствует плоской апертуре. В кресте Миллса также происходит перемножение сигналов при корреляционной обработке, выполняющейся после записи сигнала, которая требует значительных вычислительных затрат.Thus, it is possible to significantly reduce the number of emitters and obtain directivity characteristics while maintaining a single-beam mode of operation. The result obtained for the digital array is consistent with the theory of radio astronomy antennas. In radio astronomy, the solution to the problem of obtaining super-large resolutions using the Mills cross is known. Mills cross also consists of two orthogonal lattices, but their resolution corresponds to a flat aperture. In the Mills cross, there is also a multiplication of signals during correlation processing, which is performed after recording the signal, which requires significant computational costs.

При создании такой решетки в режиме приема показано, что в ДН уровень боковых лепестков (УБЛ) соответствует плоской апертуре. Однако, если использовать эту решетку в режиме передачи, то ДН такой системы излучателей будет иметь крайне высокий УБЛ. Поэтому можно разместить излучатели в полотне не по двум ортогональным решеткам, а равномерно расположить по апертуре. При этом, если взять равномерное не эквидистантное расположение, которое можно реализовать, например, расположив излучатели 2 по концентрическим окружностям (фиг.2) при том же числе излучающих элементов, то диаграмма, формируемая аналоговым методом, также будет иметь высокий УБЛ (фиг.6). Цифровой метод обработки сигнала в режиме приема позволяет снизить УБЛ (фиг.7).When creating such a lattice in the reception mode, it is shown that in the daylight the level of the side lobes (UBL) corresponds to a flat aperture. However, if this grating is used in the transmission mode, then the radiation pattern of such a system of emitters will have an extremely high SLL. Therefore, it is possible to place the emitters in the canvas not along two orthogonal gratings, but evenly arrange them along the aperture. Moreover, if we take a uniform non-equidistant arrangement, which can be realized, for example, by arranging the emitters 2 along concentric circles (Fig. 2) with the same number of radiating elements, then the diagram formed by the analog method will also have a high UBL (Fig. 6 ) The digital method of signal processing in reception mode allows you to reduce UBL (Fig.7).

Таким образом, разработана активная фазированная антенная решетка с минимальным числом элементов, обеспечивающая однолучевую ДН в режиме приема за счет цифровой обработки сигналов. Размещение минимального числа элементов в плоскости апертуры позволяет увеличить расстояние между элементами, а, следовательно, облегчить теплоотвод от модулей и уменьшить взаимодействие излучателей в полотне антенной решетки. Сокращение числа элементов антенной решетки приводит также к уменьшению числа элементов распределительной системы, а цифровая обработка исключает применение таких устройств как фазовращатели и аттенюаторы, поэтому система деления мощности существенно упрощается. Количество элементов в антенной решетке выбирается исходя из шага проекций излучателей на эквивалентную апертуру 3 (фиг.2), который не должен превышать длину волны. Поэтому количество элементов будет меньше числа элементов в антенной решетке в виде креста Миллса при одинаковой площади раскрыва.Thus, an active phased antenna array with a minimum number of elements has been developed, providing a single-beam beam in the reception mode due to digital signal processing. Placing the minimum number of elements in the plane of the aperture allows to increase the distance between the elements, and, therefore, to facilitate heat removal from the modules and reduce the interaction of emitters in the fabric of the antenna array. Reducing the number of elements of the antenna array also leads to a decrease in the number of elements of the distribution system, and digital processing eliminates the use of devices such as phase shifters and attenuators, so the power division system is greatly simplified. The number of elements in the antenna array is selected based on the step of the projections of the emitters on the equivalent aperture 3 (figure 2), which should not exceed the wavelength. Therefore, the number of elements will be less than the number of elements in the antenna array in the form of a Mills cross with the same opening area.

ЛитератураLiterature

1. Пат. RU №23383071. Pat. RU No. 2338307

2. С.Е.Мищенко, С.В.Землянский. Амплитудно-фазовый синтез антенной решетки с произвольным размещением излучателей по заданной векторной диаграмме направленности. Материалы всероссийской конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ», Таганрог, июнь 18-23. 2001 г.2. S.E. Mishchenko, S.V. Zemlyansky. Amplitude-phase synthesis of an antenna array with arbitrary placement of emitters according to a given vector radiation pattern. Materials of the All-Russian Conference "Emission and Emission of Electromagnetic Emission", Taganrog, June 18-23. 2001 year

3. пат. RU №23109563. pat. RU No. 2310956

4. Хансен Р. Сканирующие антенные системы СВЧ. T.1, M.: Советское радио, 1966. - с.372.4. Hansen R. Scanning microwave antenna systems. T.1, M .: Soviet Radio, 1966. - p. 372.

Claims (2)

1. Активная фазированная антенная решетка, содержащая излучатели, размещенные на экране и соединенные соответственно с приемопередающими модулями, отличающаяся тем, что излучатели расположены равномерно не эквидистантно, а приемопередающие модули выполнены с возможностью цифровой обработки сигнала на несущей частоте.1. An active phased antenna array containing emitters placed on the screen and connected respectively to transceiver modules, characterized in that the emitters are not uniformly distributed equidistantly, and the transceiver modules are capable of digitally processing a signal at a carrier frequency. 2. Активная фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что излучатели расположены по концентрическим окружностям.

2. The active phased antenna array according to claim 1, characterized in that the emitters are arranged in concentric circles.