RU2680665C1 - Annular concentric modular antenna lattice - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to antenna technology, in particular to the design of active phased antenna arrays (APAA) and digital antenna arrays (DAA). Ring modular concentric antenna array contains emitters located in several concentric circles, while the radiators are grouped into row-column rectangular sublattices located at different angles with respect to each other with the possibility of changing these angles.

EFFECT: technical result is an improvement in the energy characteristics, a simplified design and an increase in the manufacturability of annular antenna arrays.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, в частности к проектированию активных фазированных антенных решеток (АФАР) и цифровых антенных решеток (ЦАР). Изобретение может использоваться в качестве приемной или передающей антенны с управляемой диаграммой направленности в различных радиотехнических системах.The invention relates to antenna technology, in particular to the design of active phased antenna arrays (AFAR) and digital antenna arrays (CAR). The invention can be used as a receiving or transmitting antenna with a controlled radiation pattern in various radio engineering systems.

Известна кольцевая фазированная антенная решетка, обеспечивающая широкодиапазонную работу при одном тракте питания. Кольцевая фазированная антенная решетка состоит из N плоских элементов (ПЭ), расположенных попарно симметрично по диагоналям апертуры КФАР /1/. Приведены соотношения размеров элементов, при которых реализуется наибольшая диапазонность КФАР при ее питании от одного фидерного тракта. К недостаткам антенной решетки можно отнести малое количество элементов и невозможность сканирования в широком диапазоне углов.Known ring phased antenna array, providing wide-range operation with a single power path. The ring phased antenna array consists of N flat elements (PE) located pairwise symmetrically along the diagonals of the aperture of KFAR / 1 /. The aspect ratios of the elements are presented at which the highest range of the KFAR is realized when it is powered from one feeder path. The disadvantages of the antenna array include a small number of elements and the inability to scan in a wide range of angles.

Известна кольцевая антенная решетка, состоящая из круглых подрешеток, расположенных через одинаковое угловое расстояние по одной окружности /2/. Основным недостатком данной решетки является то, что использование одного кольца не позволяет достичь низкого уровня боковых лепестков и широкого сектора сканирования.Known annular antenna array consisting of round sublattices located across the same angular distance in one circle / 2 /. The main disadvantage of this grating is that the use of one ring does not allow to achieve a low level of side lobes and a wide scanning sector.

Известна кольцевая концентрическая антенная решетка /3/. Представленная кольцевая концентрическая антенная решетка содержит излучатели, располагающиеся по концентрическим окружностям, при этом - на верхней стенке радиального волновода, на входе которого установлена поляризационная секция, размещены излучатели с согласующими ступенчатыми трансформаторами, а расстояние между стенками волновода составляет четверть длины волны, при этом для снижения уровня бокового излучения с внутренней стороны антенной решетки по окружности проложена радиопоглощающая ткань и определена схема размещения излучателей в антенной решетке. Недостатком данной антенной решетки является конструктивная сложность, сложность изменения расположения элементов для достижения минимального УБЛ.Known ring concentric antenna array / 3 /. The presented annular concentric antenna array contains emitters arranged in concentric circles, moreover, on the upper wall of the radial waveguide, at the input of which a polarizing section is installed, emitters with matching step transformers are placed, and the distance between the walls of the waveguide is a quarter of the wavelength, while reducing the level of lateral radiation from the inside of the antenna array around the circumference of the radar absorbing fabric and determined the layout emitters in the antenna array. The disadvantage of this antenna array is the structural complexity, the complexity of changing the location of the elements to achieve a minimum UBL.

Известна активная фазированная антенная решетка, содержащая излучатели, размещенные на экране и соединенные соответственно с приемопередающими модулями, при этом излучатели расположены равномерно не эквидистантно, а приемопередающие модули выполнены с возможностью цифровой обработки сигнала на несущей частоте, причем излучатели могут располагаться по концентрическим окружностям /4/. Основными недостатками этой антенной решетки являются усложненная распределительная система, достаточно высокое боковое и обратное излучением, увеличенные габаритные размеры антенного полотна и увеличенную массу, небольшую вибропрочность.Known active phased antenna array containing emitters placed on the screen and connected respectively to the transceiver modules, while the emitters are not uniformly equidistant, and the transceiver modules are capable of digital signal processing at the carrier frequency, and the emitters can be located on concentric circles / 4 / . The main disadvantages of this antenna array are a complicated distribution system, a sufficiently high lateral and reverse radiation, increased overall dimensions of the antenna sheet and increased mass, low vibration resistance.

Наиболее близкой по достигаемому результату и технической сущности является фазированная антенная решетка, позволяющая увеличить расстояние между излучателями, не ухудшив направленные свойства при сканировании, а, следовательно, и характеристики разрешения всей радиосистемы /5/. Антенная решетка содержит N антенн, N-канальный управляемый фазовращатель и сумматор, причем N антенн выполнены всенаправленными и расположены эквидистантно. Представлены формулы для расчета положения фазовых центров каждой из N антенн. Однако, в рассматриваемой схеме построения антенной решетки, возможен обзор пространства только в азимутальной плоскости. Она также обладает достаточно высоким боковым и обратным излучением и имеет усложненную структуру излучающей и распределительной систем. Так же к недостатку этой кольцевой антенной решетки можно отнести невозможность использования в качестве АФАР. В АФАР каждому элементу антенной решетки соответствует приемный, передающий или приемо-передающий модуль. Современные требования к характеристикам АФАР приводят к необходимости использования большого количества элементов (более тысячи) расположенных на большой площади (более квадратного метра). Необходима разработка схемы суммирования/деления сигналов с выхода каждого модуля. Такая схема включает в себя СВЧ кабели и сумматоры/делители мощности. Максимальная длина кабелей определяется радиусом R кольцевой антенной решетки. При использовании такой схемы высокие потери в кабелях значительно ухудшают общую энергетику АФАР. К тому же большое количество кабелей приводит к увеличению габаритов и прочим конструктивным сложностям. Известно, что за счет вращения отдельных колец антенной решетки можно добиться уменьшения уровня боковых лепестков и дифракционных максимумов ДН АР. В представленной кольцевой АР это сложно реализуемо - необходимо перемещать и точно позиционировать каждый элемент по отдельности. Так же приемо-передающие модули включают в себя высокомощные усилители мощности (выходная мощность может составлять десятки ватт). Такие модули требуют отдельной системы охлаждения. В представленной кольцевой решетке потребуется охлаждать каждый приемопередающий модуль, что представляет собой крайне непростую задачу (обусловлено малыми габаритами модуля).The closest to the achieved result and technical essence is the phased antenna array, which allows to increase the distance between the emitters without affecting the directional properties during scanning, and, consequently, the resolution characteristics of the entire radio system / 5 /. The antenna array contains N antennas, an N-channel controlled phase shifter and an adder, and N antennas are omnidirectional and are located equidistantly. Formulas are presented for calculating the position of the phase centers of each of the N antennas. However, in the considered antenna array construction scheme, it is possible to view the space only in the azimuthal plane. It also has a sufficiently high lateral and reverse radiation and has a complicated structure of the radiating and distribution systems. Also, the inability to use it as an AFAR can be attributed to the disadvantage of this ring antenna array. In AFAR, each element of the antenna array corresponds to a receiving, transmitting or receiving-transmitting module. Modern requirements for the characteristics of AFAR lead to the need to use a large number of elements (more than a thousand) located over a large area (more than a square meter). It is necessary to develop a scheme for summing / dividing signals from the output of each module. Such a circuit includes microwave cables and adders / power dividers. The maximum cable length is determined by the radius R of the ring antenna array. When using such a scheme, high losses in the cables significantly worsen the overall energy of the AFAR. In addition, a large number of cables leads to an increase in size and other structural difficulties. It is known that due to the rotation of individual rings of the antenna array, it is possible to reduce the level of side lobes and diffraction maxima of the AR AR. In the presented circular AR, this is difficult to implement - it is necessary to move and accurately position each element separately. Transceiver modules also include high-power power amplifiers (output power can be tens of watts). Such modules require a separate cooling system. In the presented ring grid, it will be necessary to cool each transceiver module, which is an extremely difficult task (due to the small size of the module).

Задачей изобретения является улучшение энергетических характеристик, упрощение конструкции и повышение технологичности кольцевых антенных решеток.The objective of the invention is to improve energy performance, simplifying the design and improving the manufacturability of ring antenna arrays.

Это достигается за счет того, что излучатели, расположенные по нескольким концентрическим окружностям, сгруппированы в строчно-столбцевые прямоугольные подрешетки, расположенные под разными углами по отношению друг к другу. Есть возможность изменять углы поворота подрешеток при настройке.This is achieved due to the fact that the emitters located in several concentric circles are grouped into row-column rectangular sublattices located at different angles with respect to each other. It is possible to change the angles of rotation of the sublattices during setup.

В такой концентрической модульной кольцевой антенной решетке необходимо суммировать сигналы с подрешеток, а не с отдельных излучателей, что существенно уменьшает количество кабелей и сумматоров/делителей. Это приводит к улучшению энергетических характеристик и упрощению конструкции антенной решетки.In such a concentric modular ring antenna array, it is necessary to sum the signals from the sublattices, and not from individual emitters, which significantly reduces the number of cables and adders / dividers. This leads to improved energy performance and simplification of the design of the antenna array.

Строчно-столбцевые прямоугольные подрешетки расположены под разными углами для уменьшения уровня боковых лепестков и дифракционных максимумов при сканировании. В представленной антенной решетке есть возможность изменения этих углов для получения наименьшего уровня боковых лепестков и дифракционных максимумов при настройке антенной решетки. При повороте подрешетки происходит поворот излучателей, что приводит к изменению поляризации. Эта проблема решается за счет компенсации поворота фазой для излучателей с круговой поляризацией. Для использования излучателей с линейной поляризацией поворот подрешетки компенсируется поворотом излучателя.Row-column rectangular sublattices are located at different angles to reduce the level of side lobes and diffraction maxima during scanning. In the presented antenna array, it is possible to change these angles to obtain the lowest level of side lobes and diffraction maxima when tuning the antenna array. When the sublattice rotates, the emitters rotate, which leads to a change in polarization. This problem is solved by phase rotation compensation for circularly polarized emitters. To use linearly polarized emitters, the rotation of the sublattice is compensated by the rotation of the emitter.

Для сгруппированных в строчно-столбцевые подрешетки модулей значительно проще разработать систему охлаждения. Простота разработки обусловлена габаритами подрешетки.For modules grouped in row-column sublattices, it is much easier to design a cooling system. The simplicity of development is determined by the dimensions of the sublattice.

На Фиг. 1. представлена антенная решетка, состоящая из 30-ти подрешеток по 64 элемента в каждой (суммарно 1920 элементов).In FIG. 1. An antenna array is presented, consisting of 30 sublattices with 64 elements each (a total of 1920 elements).

В качестве примера можно привести антенную решетку, работающую в Ku-диапазоне. Размер решетки составляет 1,5 м × 1,5 м, 1920 элементов, распределенные по 30-ти классическим строчно-столбцевым подрешеткам. Подрешетки в каждом кольце повернуты на разный угол. В этом случае необходимо суммировать сигналы только с 30 унифицированных подрешеток, что в 64 раза уменьшает требуемое количество кабелей и значительно снижает количество сумматоров/делителей.An example is the Ku-band antenna array. The size of the lattice is 1.5 m × 1.5 m, 1920 elements distributed over 30 classic row-column sublattices. The sublattices in each ring are rotated at a different angle. In this case, it is necessary to sum the signals from only 30 unified sublattices, which reduces the required number of cables by 64 times and significantly reduces the number of adders / dividers.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет упростить конструкцию, улучшить энергетические характеристики и повысить технологичность кольцевой концентрической АФАР или ЦАР.Thus, the proposed technical solution allows to simplify the design, improve energy performance and improve the manufacturability of the ring concentric AFAR or CAR.

Источники информации:Information sources:

1. Патент РФ №21594881. Patent of the Russian Federation No. 2159488

2. Патент Китай №1064507032. China Patent No. 106450703

3. Патент РФ №154307 U13. RF patent No. 154307 U1

4. Патент РФ №119530 U14. RF patent No. 119530 U1

5. Патент РФ №2310956 - прототип5. RF patent No. 2310956 - prototype

Claims (1)

Кольцевая модульная концентрическая антенная решетка, содержащая излучатели, расположенные по нескольким концентрическим окружностям, отличающаяся тем, что излучатели сгруппированы в строчно-столбцевые прямоугольные подрешетки, расположенные под разными углами по отношению друг к другу с возможностью изменения данных углов.An annular modular concentric antenna array containing emitters arranged in several concentric circles, characterized in that the emitters are grouped into row-column rectangular sublattices located at different angles with respect to each other with the possibility of changing these angles.

Images