RU125397U1 - ACTIVE PHASED ANTENNA GRID WITH WIDE-ANGLE SCANNING - Google Patents

Abstract

Полезная модель может использоваться в системах радиопеленгации и радиосвязи.The utility model can be used in radio direction finding and radio communication systems.

Активная фазированная антенная решетка (АФАР) содержит излучатели, размещенные на экране неэквидистантно и соединенные соответственно с приемопередающими модулями. Приемо-передающие модули (ППМ) выполнены с возможностью цифровой обработки сигнала на несущей частоте. Данная АФАР обеспечивает широкоугольное сканирование и моноимпульсную работу в широком секторе углов за счет цифровой системы диаграммообразования и неэквидистантного размещения элементов.. Формирование луча в плоскости размещения излучателей позволяет уменьшить число элементов распределительной системы, а цифровая обработка исключает применение таких устройств как фазовращатели и аттенюаторы, поэтому система деления мощности существенно упрощается по сравнению с распределительными системами аналогов. 1 н.з.п.ф., 1 з.п.ф., 8 ил. The active phased array antenna (AFAR) contains emitters placed on the screen non-equidistantly and connected respectively to the transceiver modules. Receiving and transmitting modules (MRP) are made with the possibility of digital signal processing at the carrier frequency. This AFAR wide-angle scanning and monopulse work in a wide sector of angles due to the digital diagramming system and non-equidistant placement of elements. Forming a beam in the plane of the emitters allows reducing the number of distribution system elements, and digital processing excludes the use of devices such as phase shifters and attenuators, therefore the system division of power is greatly simplified compared with distribution systems analogues. 1 n.d.pf., 1 sd.d.f., 8 ill.

Description

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

Известна активная фазированная антенная решетка (АФАР), состоящая из m-излучателей, соединенных с приемо-передающими модулями (ППМ) [Пат. RU №2338307].Known active phased antenna array (AFAR), consisting of m-emitters connected to the receiving-transmitting modules (MRP) [US Pat. RU # 2338307].

Одной из трудностей практической реализации АФАР является реализация моноимпульсного режима работы при широкоугольном сканировании. При большом отклонении луча происходит искажение пеленгационных характеристик и снижается крутизна разностной диаграммы направленности. Вследствие низкой крутизны существенно снижается точность обнаружения координат цели особенно при наличии шумов. Поэтому необходима разработка схем построения, обеспечивающих незначительное изменение пеленгационных характеристик при широкоугольном сканировании.One of the difficulties in the practical implementation of AFAR is the implementation of single-pulse mode with wide-angle scanning. With a large deviation of the beam, the distortion of the direction-finding characteristics occurs and the steepness of the difference pattern decreases. Due to the low steepness, the accuracy of target position detection is significantly reduced, especially in the presence of noise. Therefore, it is necessary to develop construction schemes that provide a slight change in direction-finding characteristics for wide-angle scanning.

Известна также АФАР [пат. RU №2310956], позволяющая существенно увеличить расстояние между излучателями, не ухудшив направленные свойства при сканировании, 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.Also known AFAR [US Pat. RU # 2310956], which allows to significantly increase the distance between the emitters, without deteriorating the directional properties during scanning, and hence the resolution characteristics of the entire radio system. However, in the considered antenna array construction scheme, the emitters are placed only on a few outer rings of large radius and do not fill the aperture. This leads to a relatively high level of side lobes.

Известна фазированная АР, позволяющая расширить сектор сканирования в одной плоскости за счет азимутально-симметричного размещения излучателей в решетке [3]. Такая ФАР обеспечивает хорошие пеленгационные характеристики при сканировании. Ее недостатком сложная для практической реализации распределительная система. Наиболее близким аналогом является фазированная антенная решетка [3].Known phased AR, which allows to expand the scan sector in one plane due to the azimuthally symmetrical placement of the emitters in the lattice [3]. This HEADLIGHT provides good direction finding characteristics when scanning. Its disadvantage is a difficult distribution system for practical implementation. The closest analogue is a phased antenna array [3].

Технической задачей заявляемой полезной модели является расширение сектора сканирования в азимутальной плоскости и упрощение распределительной системы.The technical task of the claimed utility model is to expand the scanning sector in the azimuthal plane and simplify the distribution system.

Поставленная задача достигается тем, что в активной фазированной антенной решетке с широкоугольным сканированием, содержащей излучатели, размещенные на экране, и соединенные соответственно с приемо-передающими модулями, отличающейся тем, что распределительная система выполняется на цифровой элементной базе и позволяет на несущей частоте формировать суммарную и разностную диаграммы направленности и осуществлять широкоугольное сканирование. В частном случае выполнения излучатели могут быть расположены неэквидистантно по концентрическим окружностям на круглой поверхности или размещаться в гексагональной сетке на квадратной поверхности.The task is achieved by the fact that in the active phased antenna array with wide-angle scanning, containing emitters placed on the screen, and connected respectively to the receiving and transmitting modules, characterized in that the distribution system is performed on a digital element base and allows you to generate a total and differential patterns and perform wide-angle scanning. In the particular case of execution, the radiators can be located not equidistantly along concentric circles on a round surface or placed in a hexagonal grid on a square surface.

Упрощение распределительной системы, состоящее в уменьшении числа делителей мощности, достигается за счет цифрового формирования луча, осуществляемого в приемо-передающих модулях, а улучшение пеленгационных характеристик - за счет азимутально-симметричного неэквидистантного размещения излучателей в квадратном или круглом раскрыве без ухудшения характеристик радиоэлектронной системы, таких, например, как точность обнаружения цели в РЛС, помехозащищенность, разрешающая способность, причем шаг решетки может быть увеличен от 0,7 длины волны 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, which consists in reducing the number of power dividers, is achieved through digital beam forming carried out in the receiving and transmitting modules, and the improvement of the direction-finding characteristics due to the azimuth-symmetric non-equidistant placement of emitters in a square or round opening without deteriorating the characteristics of the radio electronic system, , for example, as the accuracy of target detection in radar, noise immunity, resolution, and the lattice spacing can be increased from 0.7 length in Wave lengths up to several wavelengths, for example, up to three wavelengths, depending on the size of the aperture, at a step in the equivalent aperture equal to the working wavelength. Previously, digital processing was used at an intermediate frequency, since There were no high-speed ADC and DAC. At present, due to the advent of high-speed digital equipment, it has become possible to perform processing 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 и 3 приведены схемы размещения излучателей в заявляемой АФАР; на фиг.4 - структурная схема активного модуля, совмещенного с антенной решеткой; на фиг.5 - приведены диаграммы направленности (ДН) антенной решетки с круглой апертурой в двух ортогональных плоскостях; на фиг.6 - приведены диаграммы направленности антенной решетки с квадратной апертурой в двух ортогональных плоскостях.Figure 1 shows the layout of the radiating elements in the prototype; figure 2 and 3 shows the layout of the emitters in the inventive AFAR; figure 4 is a structural diagram of the active module, combined with an antenna array; figure 5 - shows the radiation pattern (DN) of the antenna array with a circular aperture in two orthogonal planes; figure 6 - shows the radiation pattern of the antenna array with a square aperture in two orthogonal planes.

Активная фазированная антенная решетка содержит экран 1, размещенные на экране излучатели 2 (фиг.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 (фиг.4). Излучатели 2 расположены на экране 1 равномерно не эквидистантно.The active phased array antenna contains a screen 1, emitters 2 placed on the screen (FIG. 2), each of emitters 2 is connected to a receiving-transmitting module (MRP) 3, which includes: a calculator 4, a transmitting channel amplifier 5, a receiving low-noise amplifier 6 channel, digital processing unit 7 of the transmitting channel, digital processing unit 8 of the receiving channel, generator 9, receiver - 10, synchronization unit - 11 (figure 4). Emitters 2 are located on the screen 1 evenly not equidistant.

Каждый из приемо-передающих модулей 3 выполнен с возможностью цифровой обработки сигнала на несущей частоте, осуществляемой в блоках 7 и 8, 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, 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 8. В блоке цифровой обработки 8 сигналы оцифровываются и путем последовательных преобразований, после прохождения цифровых линий задержки, получают необходимые для формирования ДН амплитуды и фазы. Затем в усилителе 7 сигналы усиливаются и подаются через циркулятор 4 на соответствующий элемент антенной решетки 2. В режиме приема сигнал, принятый соответствующим элементом 2 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 works as follows. The signals from the generator 9 are fed to the digital processing unit 8. In the digital processing unit 8, the signals are digitized and, by successive transformations, after passing through the digital delay lines, amplitudes and phases necessary for generating the DN are obtained. Then, in amplifier 7, signals are amplified and fed through circulator 4 to the corresponding element of antenna array 2. In receive mode, the signal received by corresponding element 2 is fed through circulator 4 to the input of low-noise amplifier 6, amplified to the level required for digital processing and fed to the input of the digital block 8. In the digital processing unit 8, the signal is digitized and, using digital delay lines, a phase shift is added to the signal in the channel of each radiator 2, which is necessary to receive a signal equivalent to erturoy this array. Then the signals are summed up in block 8 with the corresponding weighting factors. After digital processing, the signal is transmitted to the input of the receiver 10. Synchronization of the digitized signals of all elements of the antenna array is performed by the synchronization unit 11.

Полотно приемной цифровой антенной решетки (экран 1) при произвольном типе излучателя 2 заполняется элементами по гексагональной структуре или неэквидистантно. При этом шаг проекций излучателей 2 на эквивалентный линейный излучающий раскрыв не должен превышать длину рабочей волны чтобы не возникали дифракционные максимумы. ДН такой антенны формируется плоскости размещения элементов, а цифровая обработка существенно упрощает структуру распределительной системы (фиг.5).The receiving antenna digital array (screen 1) for an arbitrary type of radiator 2 is filled with elements according to hexagonal structure or not equidistant. In this case, the step of the projections of the emitters 2 on the equivalent linear radiating aperture should not exceed the length of the working wave so that diffraction maxima do not occur. DN of such an antenna is formed by the plane of placement of elements, and digital processing greatly simplifies the structure of the distribution system (figure 5).

Также имеется возможность реализации распределительной системы и без цифрового преобразования сигнала. Разработаны модели аналоговых распределительных систем, которые подходят для широкополосной работы и формирования моноимпульса в заданном секторе сканирования. Применение цифровой или аналоговой распределительной системы определяется требованиями к массогабаритным и стоимостным характеристикам.It is also possible to implement a distribution system without digital signal conversion. Models of analog distribution systems have been developed that are suitable for broadband operation and the formation of a single pulse in a given scanning sector. The use of a digital or analog distribution system is determined by the requirements for weight, size and cost characteristics.

При построении антенны для бортовой РЛС уровень бокового и обратного излучения не должен превышать -20…-25 дБ. Для уменьшения УБЛ обычно применяются различные методы синтеза ДН: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый и конструктивный. В антеннах с широкоугольным сканированием целесообразно применять амплитудный и конструктивный методы синтеза. Как показано выше, синтез пространственного размещения элементов и амплитудного распределения позволяет снизить уровень бокового излучения до -22 дБ (фиг.6).When building an antenna for on-board radar, the level of side and back radiation should not exceed -20 ... -25 dB. To reduce UBL, various methods of DN synthesis are commonly used: amplitude, phase, amplitude-phase, and constructive. In antennas with wide-angle scanning, it is advisable to apply amplitude and constructive synthesis methods. As shown above, the synthesis of the spatial distribution of the elements and the amplitude distribution makes it possible to reduce the level of lateral radiation to -22 dB (FIG. 6).

Кроме требований к УБЛ в антенне с широкоугольным сканированием важно обеспечивать допустимое изменение крутизны пеленгационной характеристики в моноимпульсном режиме. Простейший способ реализации широкоугольного сканирования в азимутальной плоскости с незначительным изменением пеленгационной характеристики - применение антенной решетки с квадратным раскрывом. Для увеличения шага излучателей элементы размещаются в узлах гексагональной структуры фиг.3. Такая схема построения может быть реализована в виде модульной конструкции, удобной для управления положением и формой ДН, а также для обеспечения требуемого амплитудного распределения. Как видно из характеристик направленности фиг.7, антенна с квадратным раскрывом имеет меньший уровень обратного излучения, чем антенна с круглым раскрывом и неэквидистантным заполнением апертуры. Моноимпульсный режим работы в широком секторе углов в такой решетке осуществляется при помощи цифровой системы формирования и управления лучом.In addition to the requirements for UBL in the antenna with wide-angle scanning, it is important to ensure the permissible change in the steepness of the direction-finding characteristic in the single-pulse mode. The simplest way to implement wide-angle scanning in the azimuthal plane with a slight change in the direction-finding characteristic is to use an antenna array with a square aperture. To increase the pitch of the emitters elements are placed in the nodes of the hexagonal structure of figure 3. Such a construction scheme can be implemented in the form of a modular design, convenient for controlling the position and shape of the beam pattern, as well as for providing the required amplitude distribution. As can be seen from the directivity characteristics of FIG. 7, a square-aperture antenna has a lower level of reverse radiation than an antenna with a circular aperture and non-equidistant aperture filling. Monopulse mode of operation in a wide sector of angles in such a lattice is carried out using a digital beam forming and control system.

Полученные результаты для активной фазированной антенной решетки хорошо согласуются с общей теорией антенн. Рассматриваемые АФАР являются частным случаем выпуклых антенн, для которых расчет поля, излучаемого выпуклой поверхностью, осуществляется методом эквивалентных апертур.The results obtained for an active phased antenna array are in good agreement with the general theory of antennas. The considered AFARs are a particular case of convex antennas, for which the field radiated by a convex surface is calculated by the method of equivalent apertures.

Таким образом, разработана активная фазированная антенная решетка с широкоугольным сканированием, обеспечивающая высокую крутизну пеленгационных характеристик за счет неэквидидистантности размещения элементов в апертуре и цифровой обработки сигнала. Формирование луча в плоскости размещения излучателей позволяет уменьшить число элементов распределительной системы, а цифровая обработка исключает применение таких устройств как фазовращатели и аттенюаторы, поэтому система деления мощности существенно упрощается по сравнению с распределительными системами аналогов.Thus, an active phased antenna array with wide-angle scanning has been developed, providing high steepness of direction-finding characteristics due to the non-equidistance of the placement of elements in the aperture and digital signal processing. Beamforming in the plane of the emitters allows to reduce 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 dividing system is greatly simplified compared to analogue distribution systems.

ЛитератураLiterature

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

2. пат. RU №23109562. Pat. RU # 2310956

3. Воскресенский Д.И., Котов Ю.В., Овчинникова Е.В. Тенденции развития широкополосных фазированных антенных решеток, Журнал Антенны, 2005, №11 (102). - с.11.3. Resurrection D.I., Kotov Yu.V., Ovchinnikova E.V. Development Trends for Broadband Phased Antenna Arrays, Antenna Journal, 2005, No. 11 (102). - p.11.

Claims (2)

1. Активная фазированная антенная решетка с широкоугольным сканированием, содержащая излучатели, размещенные на экране и соединенные соответственно с приемопередающими модулями, отличающаяся тем, что распределительная система выполняется на цифровой элементной базе и позволяет на несущей частоте формировать суммарную и разностную диаграммы направленности и осуществлять широкоугольное сканирование.1. Active phased antenna array with wide-angle scanning, containing emitters placed on the screen and connected respectively to the transceiver modules, characterized in that the distribution system is performed on a digital element base and allows forming a total and difference patterns on the carrier frequency and performing wide-angle scanning. 2. Активная фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что излучатели расположены неэквидистантно.

2. Active phased antenna array according to claim 1, characterized in that the emitters are not equidistant.

Images