RU2697194C1 - Method of constructing an active phased antenna array - Google Patents

Method of constructing an active phased antenna array Download PDF

Info

Publication number
RU2697194C1
RU2697194C1 RU2019103850A RU2019103850A RU2697194C1 RU 2697194 C1 RU2697194 C1 RU 2697194C1 RU 2019103850 A RU2019103850 A RU 2019103850A RU 2019103850 A RU2019103850 A RU 2019103850A RU 2697194 C1 RU2697194 C1 RU 2697194C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
receiving
transmitting
channel
antenna
signal
Prior art date
Application number
RU2019103850A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Александрович Косогор
Владимир Владимирович Задорожный
Александр Юрьевич Ларин
Иван Степанович Омельчук
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС")
Priority to RU2019103850A priority Critical patent/RU2697194C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2697194C1 publication Critical patent/RU2697194C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/29—Combinations of different interacting antenna units for giving a desired directional characteristic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/24—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation by switching energy from one active radiating element to another, e.g. for beam switching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/28—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the amplitude
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

FIELD: antenna equipment.SUBSTANCE: invention relates to antenna engineering and is intended for construction of active phased antenna arrays (APAA) for radio communication and radar systems. Antenna elements are arranged on front panels of multichannel transceiving modules (MTM) in units of rectangular or triangular grid with pitch along vertical and horizontal, determined by required scanning sector respectively in vertical and horizontal planes, each emitter is connected by a communication line of minimum length to input / output of one of channels MTM, wherein in the transmitting part of each channel the phase shifter is installed, and to isolate the receiving and transmitting parts of the channel, a circulator is used, an antenna web of the active phased antenna array is formed from MTM, installing them next to each other so that the surfaces of their front panels are located in one plane, and the distance between the radiators is kept constant in the vertical and horizontal planes, wherein the front panels of the receiving-transmitting modules function as a screen, forming a heterodyne signal, sampling clock frequency and distributed by distribution system to MTM, in transmitting mode generating transmitting beam with given shape by setting phase and amplitude ratios of transmitted signal in channels of receiving-transmitting modules, in the reception mode, the signal at the intermediate frequency is sampled from the output of each receiving channel of the receiving-transmitting module and the required number of beams of the receiving pattern is generated from the obtained samples.EFFECT: reduced losses of received and transmitted signals.1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, а именно, к способам построения активных фазированных антенных решеток (АФАР) для систем радиосвязи и радиолокации.The invention relates to antenna technology, and in particular, to methods for constructing active phased antenna arrays (AFAR) for radio communication systems and radar.

Известен способ построения фазированной антенной решетки (ФАР) [1 - стр. 661, рис. 13.44, Справочник по радиолокации. / Под ред. М.И. Сколника. М.: Техносфера. 2014 г. книга 1. - 672 с.], при котором устанавливают N горизонтальных линеек излучателей, одну над другой и N приемопередатчиков, при этом каждая линейка излучателей содержит М объединенных через делитель мощности излучателей, который в режиме приема работает как сумматор мощности. К входу делителя мощности подключают вход-выход приемопередатчика. Выход формирователя зондирующего сигнала соединяют с делителем мощности по числу линеек излучателей, в каждом приемопередатчике устанавливают фазовращатель. Вход приемной части приемопередатчика соединяют с выходом его передающей части через устройство защиты и циркулятор, а выход - с аналого-цифровым преобразователем.A known method of constructing a phased antenna array (PAR) [1 - p. 661, Fig. 13.44, Guide to radar. / Ed. M.I. Skolnik. M .: Technosphere. 2014 book 1. - 672 pp.], In which N horizontal lines of emitters are installed, one above the other and N transceivers, and each line of emitters contains M combined through a power divider emitters, which in reception mode works as a power adder. To the input of the power divider connect the input-output of the transceiver. The output of the probe signal generator is connected to the power divider according to the number of emitter lines, a phase shifter is installed in each transceiver. The input of the receiving part of the transceiver is connected to the output of its transmitting part through a protection device and a circulator, and the output is connected to an analog-to-digital converter.

Недостатком известного способа является наличие потерь принимаемого сигнала в сумматорах пассивных линеек излучателей. Эти потери вносятся перед малошумящим усилителем (МШУ), поэтому вызывают ухудшение чувствительности АФАР в режиме приема.The disadvantage of this method is the presence of losses of the received signal in the adders of the passive lines of emitters. These losses are introduced before the low noise amplifier (LNA), therefore, they cause deterioration of the sensitivity of the AFAR in the reception mode.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ построения фазированной антенной решетки [2 - стр. 25, рис. 2.3, 2.5 Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев. 2000 г. - 420 с.], взятый за прототип, при котором объединяют антенные элементы в пассивные линейные подрешетки, внутри которых каждый антенный элемент соединяют через фазовращатель с сумматором подрешетки, который в режиме передачи используют как делитель мощности, при этом в режиме передачи формируют зондирующий сигнал в блоке формирования сигналов, усиливают его в усилителе мощности, делят по числу подрешеток, распределяют на подрешетки с помощью распределительной системы и устанавливают направление передающего луча с помощью фазовращателей подрешеток. В режиме приема объединяют принимаемые сигналы в подрешетках с помощью сумматоров подрешеток, усиливают их, преобразуют по частоте, преобразуют в цифровую форму и формируют приемную диаграмму направленности (ДН) в системе цифрового диаграммообразования путем весового суммирования сигналов с выходов подрешеток. При этом преобразование в цифровую форму производится квадратурными аналого-цифровыми преобразователями на нулевой частоте, а для развязки приемной и передающей частей используют антенный переключатель.The closest in technical essence to the invention is a method of constructing a phased antenna array [2 - p. 25, Fig. 2.3, 2.5 Kuzmin S.Z. Digital radar. Introduction to the theory. Kiev. 2000 - 420 pp.], Taken as a prototype, in which the antenna elements are combined into passive linear sublattices, inside which each antenna element is connected through a phase shifter to the sublattice adder, which is used as a power divider in the transmission mode, while in the transmission mode they form a probe signal in the signal generation unit, amplify it in a power amplifier, divide by the number of sublattices, distribute into sublattices using a distribution system and set the direction of the transmitting beam using phase shifting oil sublattices. In the reception mode, the received signals in the sublattices are combined using adders of the sublattices, amplify them, convert in frequency, digitize and form the receiving radiation pattern in the digital beamforming system by weighting the signals from the outputs of the sublattices. In this case, the conversion to digital form is performed by quadrature analog-to-digital converters at zero frequency, and an antenna switch is used to decouple the receiving and transmitting parts.

Недостатком прототипа является использование в антенной решетке пассивных линейных подрешеток, антенные элементы которых объединяются с помощью сумматоров мощности, что в режиме приема ухудшает чувствительность приемной части АФАР, а в режиме передачи снижает мощность излучаемого сигнала. С учетом того, что в сумматорах диссипативные потери составляют, в зависимости от числа антенных элементов и используемого диапазона частот, 0,5…1,5 дБ, это вызывает увеличение коэффициента шума приемной части не менее, чем на 0,5…1,5 дБ. В режиме передачи сумматор работает как делитель мощности, и потери в нем снижают мощность излучаемого сигнала на 0,5…1,5 дБ.The disadvantage of the prototype is the use in the antenna array of passive linear sublattices, the antenna elements of which are combined using power adders, which in the reception mode degrades the sensitivity of the receiving part of the AFAR, and in the transmission mode reduces the power of the emitted signal. Taking into account the fact that in the adders the dissipative losses are, depending on the number of antenna elements and the frequency range used, 0.5 ... 1.5 dB, this causes an increase in the noise figure of the receiving part by at least 0.5 ... 1.5 db In transmission mode, the adder works as a power divider, and losses in it reduce the power of the emitted signal by 0.5 ... 1.5 dB.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение длины соединений между антенными элементами и приемопередающими модулями (ППМ).The problem to which the invention is directed, is to reduce the length of the connections between the antenna elements and transceiver modules (MRP).

Для решения указанной задачи предлагается способ построения активной фазированной антенной решетки, при котором для излучения и приема сигналов используют антенные элементы, при этом в режиме передачи формируют передаваемый сигнал в блоке формирования сигналов, усиливают его в усилителе мощности, распределяют с помощью распределительной системы, в режиме передачи устанавливают направление передающего луча с помощью фазовращателей, в режиме приема усиливают принимаемые сигналы, преобразуют по частоте, выполняют дискретизацию сигналов и формируют приемную диаграмму направленности путем взвешенного суммирования сигналов в системе цифрового диаграммообразования.To solve this problem, we propose a method of constructing an active phased antenna array, in which antenna elements are used to transmit and receive signals, while in the transmission mode they form the transmitted signal in the signal generation unit, amplify it in a power amplifier, distribute using a distribution system, in the mode transmissions establish the direction of the transmitting beam with the help of phase shifters, in the reception mode they amplify the received signals, convert them in frequency, perform signal sampling s and form the receiving radiation pattern by weighted summation of signals in a digital beamforming system.

Согласно изобретению, размещают антенные элементы на передних панелях многоканальных приемопередающих модулей в узлах прямоугольной или треугольной сетки, с шагом по вертикали и горизонтали, определяемым требуемым сектором сканирования соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях, соединяют каждый излучатель линией связи минимальной длины со входом-выходом одного из каналов многоканального приемопередающего модуля, при этом в передающей части каждого канала устанавливают фазовращатель, а для развязки приемной и передающей частей канала используют циркулятор, формируют антенное полотно активной фазированной антенной решетки из многоканальных приемопередающих модулей, устанавливая их рядом друг с другом таким образом, чтобы поверхности их передних панелей были расположены в одной плоскости, а расстояние между излучателями сохранялось неизменным в вертикальной и горизонтальной плоскостях, при этом передние панели приемопередающих модулей выполняют функцию экрана, формируют сигнал гетеродина, сигнал тактовой частоты дискретизации, и распределяют их с помощью распределительной системы на многоканальные приемопередающие модули, в режиме передачи формируют передающий луч с заданной формой путем установки фазовых и амплитудных соотношений передаваемого сигнала в каналах приемопередающих модулей, в режиме приема выполняют дискретизацию сигнала на промежуточной частоте с выхода приемной части каждого канала приемопередающего модуля и формируют из полученных отсчетов требуемое число лучей приемной диаграммы направленности.According to the invention, antenna elements are placed on the front panels of multichannel transceiver modules in nodes of a rectangular or triangular grid, with vertical and horizontal steps determined by the required scanning sector, respectively, in the vertical and horizontal planes, each emitter is connected by a communication line of minimum length to the input-output of one of channels of a multichannel transceiver module, while a phase shifter is installed in the transmitting part of each channel, and for decoupling the receiving and The main parts of the channel use a circulator, form the antenna sheet of the active phased antenna array from multichannel transceiver modules, installing them next to each other so that the surfaces of their front panels are located in the same plane, and the distance between the emitters remains unchanged in the vertical and horizontal planes, while the front panels of the transceiver modules perform the function of a screen, form a local oscillator signal, a sampling clock signal, and distribute using a distribution system to multichannel transceiver modules, they form a transmitting beam with a given shape in the transmission mode by setting the phase and amplitude ratios of the transmitted signal in the channels of the transceiving modules, in the receiving mode, the signal is sampled at an intermediate frequency from the output of the receiving part of each channel of the transceiving module and form the required number of rays of the receiving radiation pattern from the obtained samples.

Техническим результатом предлагаемого способа является снижение потерь принимаемого и передаваемого сигналов.The technical result of the proposed method is to reduce the loss of received and transmitted signals.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:A comparative analysis of the claimed method and prototype shows that their difference is as follows:

- в прототипе фазированная антенная решетка разделена на пассивные подрешетки, объединяющие антенные элементы с помощью сумматора мощности подрешетки, который в режиме передачи используют как делитель мощности. В то время как в предлагаемом способе антенный элемент соединен линией связи минимальной длины со входом-выходом одного из канала многоканального приемопередающего модуля. Такое построение сокращает потери выходной мощности зондирующего сигнала и снижает коэффициент шума приемной части по сравнению с прототипом;- in the prototype, the phased antenna array is divided into passive sublattices, combining the antenna elements using an adder power combiner, which in transmission mode is used as a power divider. While in the proposed method, the antenna element is connected by a communication line of minimum length with the input-output of one of the channels of a multi-channel transceiver module. This design reduces the loss of the output power of the probe signal and reduces the noise figure of the receiving part compared with the prototype;

- в прототипе излучающая система антенной решетки формируется из пассивных антенных линеек, в то же время в предлагаемом способе излучающая система антенной решетки формируется из многоканальных ППМ с установленными на передней панели излучателями, при этом ППМ устанавливают рядом друг с другом таким образом, чтобы поверхности их передних панелей были расположены в одной плоскости, а расстояние между излучателями сохранялось неизменным в вертикальной и горизонтальной плоскостях;- in the prototype, the radiating system of the antenna array is formed from passive antenna lines, at the same time in the proposed method the radiating system of the antenna array is formed of multi-channel PPMs with emitters mounted on the front panel, while the MRP is installed next to each other so that the surfaces of their front panels were located in one plane, and the distance between the emitters remained unchanged in the vertical and horizontal planes;

- в прототипе электронное сканирование лучей возможно выполнить только в одной плоскости, при расположении пассивных антенных линеек по горизонтали, сканирование возможно только в угломестной плоскости, что сужает функциональные возможности АФАР;- in the prototype, electronic scanning of the rays can be performed only in one plane, with the passive antenna lines horizontal, scanning is possible only in the elevation plane, which reduces the functionality of the AFAR;

- в прототипе дискретизация принимаемого сигнала производится на нулевой частоте, что требует использования двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП), в предлагаемом устройстве дискретизация производится на промежуточной частоте с помощью одного АЦП.- in the prototype, the sampling of the received signal is performed at zero frequency, which requires the use of two analog-to-digital converters (ADC), in the proposed device, the sampling is performed at an intermediate frequency using one ADC.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа построения активной фазированной антенной решетки из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.The combination of distinctive features and properties of the proposed method for constructing an active phased antenna array is not known from the literature, therefore it meets the criteria of novelty and inventive step.

На фиг. 1. приведена структурная схема устройства, обеспечивающего реализацию предложенного способа.In FIG. 1. The structural diagram of a device that provides the implementation of the proposed method.

На фиг. 2. приведена структурная схема системы цифрового диаграммообразования.In FIG. 2. The structural diagram of a digital chart formation system is shown.

На фиг. 3. приведена структурная схема блока управления.In FIG. 3. The block diagram of the control unit is shown.

На фиг. 4. приведена структурная схема преобразователя частоты.In FIG. 4. shows a structural diagram of a frequency converter.

На фиг. 5. приведена структурная схема модуля управления и цифровой обработки сигналов.In FIG. 5. The block diagram of the control module and digital signal processing is shown.

При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий:When implementing the proposed method, the following sequence of actions is performed:

- размещают антенные элементы на передних панелях многоканальных ППМ в узлах прямоугольной или треугольной сетки, с шагом по вертикали и горизонтали, определяемым требуемым сектором сканирования, соответственно, в вертикальной и горизонтальной плоскостях - 1;- place the antenna elements on the front panels of multi-channel PPM in the nodes of a rectangular or triangular grid, in vertical and horizontal steps, determined by the required scanning sector, respectively, in the vertical and horizontal planes - 1;

- соединяют каждый излучатель линией связи минимальной длины со входом-выходом одного из каналов многоканального приемопередающего модуля, при этом в передающей части каждого канала устанавливают фазовращатель, а для развязки приемной и передающей частей канала используют циркулятор - 2;- connect each emitter with a communication line of minimum length to the input-output of one of the channels of the multichannel transceiver module, while a phase shifter is installed in the transmitting part of each channel, and a circulator-2 is used to decouple the receiving and transmitting parts of the channel;

- формируют антенное полотно активной фазированной антенной решетки из многоканальных приемопередающих модулей, устанавливая их рядом друг с другом таким образом, чтобы поверхности их передних панелей были расположены в одной плоскости, а расстояние между излучателями сохранялась неизменным в вертикальной и горизонтальной плоскостях, при этом передние панели приемопередающих модулей выполняют функцию экрана - 3;- form the antenna fabric of the active phased antenna array of multi-channel transceiver modules, installing them next to each other so that the surfaces of their front panels are located in the same plane, and the distance between the emitters remains unchanged in the vertical and horizontal planes, while the front panels of the transceiver modules perform the function of the screen - 3;

- формируют сигнал гетеродина и сигнал тактовой частоты дискретизации и распределяют их с помощью распределительной системы соответственно на входы сигнала гетеродина и сигнала тактовой частоты дискретизации многоканальных приемопередающих модулей - 4;- generate a local oscillator signal and a sampling clock signal and distribute them using a distribution system, respectively, to the inputs of a local oscillator signal and a sampling clock signal of multichannel transceiver modules - 4;

- в режиме передачи формируют передаваемый сигнал, усиливают его в усилителе мощности, распределяют с помощью распределительной системы на многоканальные приемопередающие модули - 5;- in the transmission mode, the transmitted signal is formed, amplified in a power amplifier, distributed using a distribution system to multi-channel transceiver modules - 5;

- в режиме передачи устанавливают направление передающего луча с помощью фазовращателей, формируют передающий луч с заданной формой путем установки фазовых и амплитудных соотношений передаваемого сигнала в каналах приемопередающих модулей и излучают его с помощью антенных элементов, подключенных к этим каналам - 6;- in the transmission mode, the direction of the transmitting beam is established using phase shifters, a transmitting beam is formed with a given shape by setting the phase and amplitude ratios of the transmitted signal in the channels of the transceiver modules and emit it using antenna elements connected to these channels - 6;

- в режиме приема усиливают принимаемые антенными элементами сигналы и преобразуют их по частоте в приемной части каждого канала многоканальных приемопередающих модулей, выполняют дискретизацию сигналов на промежуточной частоте с выхода приемной части каждого канала - 7;- in the receiving mode, the signals received by the antenna elements are amplified and converted in frequency in the receiving part of each channel of the multichannel transceiver modules, the signals are sampled at an intermediate frequency from the output of the receiving part of each channel - 7;

- формируют из полученных отсчетов требуемое число лучей приемной диаграммы направленности (ДН) путем взвешенного суммирования сигналов в системе цифрового диаграммообразования - 8.- form from the obtained samples the required number of rays of the receiving radiation pattern (DD) by weighted summation of signals in a digital beamforming system - 8.

Реализация предложенного способа построения АФАР возможна, например, с помощью устройства, включающего в себя (фиг. 1) N приемопередающих модулей (ППМ) 1, блок управления (БУ) 2, первый управляющий выход которого подключен к управляющему входу блока формирования сигналов (БФС) 3, второй управляющий выход - ко входу управления системы цифрового диаграммообразования (СЦДО) 4 и N управляющих выходов, подключенных к управляющим входам всех ППМ 1, а вход является входом управления АФАР. Выходы передаваемого сигнала (ПС), сигнала гетеродина FГЕТ и сигнала тактовой частоты дискретизации FД БФС 3 подключены к распределительной системе (PC) 5.Implementation of the proposed method for constructing an AFAR is possible, for example, using a device that includes (Fig. 1) N transceiver modules (PPM) 1, a control unit (BU) 2, the first control output of which is connected to the control input of the signal generation unit (BFS) 3, the second control output - to the control input of the digital charting system (DTMS) 4 and N control outputs connected to the control inputs of all MRP 1, and the input is the input of the AFAR control. The outputs of the transmitted signal (PS), the local oscillator FET and the sampling clock signal F D BFS 3 are connected to a distribution system (PC) 5.

PC 5 имеет N выходов ПС, соединенных со входами ПС ППМ 1, N выходов дискретизации Fд, соединенных со входами дискретизации ППМ 1, N выходов гетеродина Fгет, соединенных с гетеродинными входами ППМ 1.PC 5 has N outputs PS connected to the inputs of the PS PPM 1, N sampling outputs Fd, connected to the sampling inputs PPM 1, N outputs of the local oscillator Fget connected to the heterodyne inputs of the PPM 1.

ППМ 1 содержат первый и второй делители мощности (ДМ) 6 и 7, входы которых являются соответственно передаваемым и гетеродинным входом ППМ 1, модуль управления и цифровой обработки сигналов (МУЦОС) 8, вход дискретизации которого является входом дискретизации ППМ 1, а управляющий вход является управляющим входом ППМ 1. ППМ 1 содержит также М каналов, каждый из которых содержат последовательно соединенные фазовращатель (ФВ) 9, вход которого является входом канала и соединен с одним из М выходов первого делителя мощности 6, а управляющий вход является первым управляющим входом канала и соединен с одним из управляющих выходов МУЦОС 8, циркулятор Ц 10 и антенный элемент (АЭ) 11.PPM 1 contain the first and second power dividers (DM) 6 and 7, the inputs of which are respectively the transmitted and heterodyne input PPM 1, the control module and digital signal processing (MUZOS) 8, the sampling input of which is the sampling input of PPM 1, and the control input is control input PPM 1. PPM 1 also contains M channels, each of which contains a series-connected phase shifter (PV) 9, the input of which is a channel input and connected to one of the M outputs of the first power divider 6, and the control input is I am the first control input of the channel and connected to one of the control outputs of MUCOS 8, circulator C 10 and antenna element (AE) 11.

К выходу циркулятора 10 подключены последовательно соединенные малошумящий усилитель (МШУ) 12, преобразователь частоты (ПРЧ) 13, гетеродинный вход которого является гетеродинным входом канала и подключен к одному из М выходов второго делителя мощности 7, управляющий вход является вторым управляющим входом канала и подключен к одному из управляющих выходов МУЦОС 8, а выход является выходом промежуточной частоты (ПЧ) канала и подключен к одному из входов ПЧ МУЦОС 8.The output of the circulator 10 is connected in series with a low noise amplifier (LNA) 12, a frequency converter (RHF) 13, the local oscillator input of which is the local oscillator input of the channel and connected to one of the M outputs of the second power divider 7, the control input is the second control input of the channel and connected to one of the control outputs of MUCOS 8, and the output is the output of the intermediate frequency (IF) of the channel and connected to one of the inputs of the MUCOS 8.

Выход данных МУЦОС 8 является выходом данных ППМ 1 и соединен с одним из N входов данных СЦДО 4, управляющий вход МУЦОС 8 является управляющим входом ППМ 1 и соединен с одним из N управляющих выходов БУ 2.The data output of MUCOS 8 is the data output of PPM 1 and is connected to one of the N data inputs of SDSO 4, the control input of MUCOS 8 is the control input of PPM 1 and is connected to one of the N control outputs of BU 2.

СЦДО 4 (фиг. 2) имеет K формирователей 14 по числу формируемых лучей, каждый из которых содержит N каналов, при этом входы i-тых каналов в формирователях 14 объединены. Каждый канал формирователя 14 содержит перемножитель 15, первый вход которого является входом канала, ко второму входу подключен выход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 16, а выход перемножителя 15 является выходом канала и подключен к одному из N входов цифрового сумматора 17, выход которого подключен к одному из К входов интерфейса (И) 18. Выход интерфейса 18 является выходом СЦДО 4. СЦДО 4 может быть выполнено, в зависимости от числа ППМ 1 и числа лучей К, в виде одной или нескольких программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).SCDS 4 (Fig. 2) has K formers 14 in the number of generated beams, each of which contains N channels, while the inputs of the i-th channels in the formers 14 are combined. Each channel of the shaper 14 contains a multiplier 15, the first input of which is the input of the channel, the output of the read-only memory (ROM) 16 is connected to the second input, and the output of the multiplier 15 is the output of the channel and connected to one of the N inputs of the digital adder 17, the output of which is connected to one of the K inputs of the interface (I) 18. The output of the interface 18 is the output of the SCMS 4. The SCMS 4 can be performed, depending on the number of PPM 1 and the number of rays K, in the form of one or more programmable logic integrated circuits (FPGAs).

Блок управления (БУ) 2 (фиг. 3), имеет устройство управления (УУ) 19, вход которого является управляющим входом АФАР. УУ 19 также имеет N+2 управляющих выходов, которые являются управляющими выходами БУ 2. УУ 19 может быть выполнено, в зависимости от числа ППМ 1 и числа лучей К, в виде одной или нескольких программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).The control unit (CU) 2 (Fig. 3), has a control device (CU) 19, the input of which is the control input of the AFAR. UU 19 also has N + 2 control outputs, which are the control outputs of BU 2. UU 19 can be performed, depending on the number of PPM 1 and the number of rays K, in the form of one or more programmable logic integrated circuits (FPGAs).

ПРЧ 13 (фиг. 4) представляет собой последовательно соединенные смеситель (СМ) 20, вход которого является входом ПРЧ 13, а гетеродинный вход - гетеродинным входом ПРЧ 13 и усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 21, выход которого является выходом промежуточной частоты (ПЧ) ПРЧ 13, а управляющий вход - управляющим входом ПРЧ 13.RFP 13 (Fig. 4) is a series-connected mixer (SM) 20, the input of which is the input of the RFI 13, and the local oscillator input is the heterodyne input of the RFI 13 and the intermediate frequency amplifier (IFA) 21, the output of which is the output of the intermediate frequency (IF) HRF 13, and the control input - the control input of the HRF 13.

МУЦОС 8 (фиг. 5) включает в себя М аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 22, входы которых являются входами ПЧ МУЦОС 8, тактовые входы подключены к выходам третьего делителя мощности (ДМ) 23, а выходы подключены ко входам блока управления и обработки (БУО) 24. Первый и второй управляющие выходы БУО 24 являются соответственно первым и вторым управляющим выходами МУЦОС 8. Выход данных и управляющий вход БУО 24 являются соответственно выходом данных и управляющим входом МУЦОС 8. Вход третьего делителя мощности 23 является входом дискретизации МУЦОС 8.MUCOS 8 (Fig. 5) includes M analog-to-digital converters (ADCs) 22, the inputs of which are inputs of the MUCOS 8 IF, the clock inputs are connected to the outputs of the third power divider (DM) 23, and the outputs are connected to the inputs of the control and processing unit (BUO) 24. The first and second control outputs of BUO 24 are, respectively, the first and second control outputs of MUCCOS 8. The data output and control input of BUO 24 are respectively the data output and control input of MUCOS 8. The input of the third power divider 23 is the sampling input of MUCCOS 8.

БФС 3 представляет собой три синтезатора частоты, обеспечивающих формирование передаваемого сигнала ПС, сигнала тактовой частоты дискретизации Fд, сигнала гетеродина Fгет и усилитель мощности передаваемого сигнала ПС. При этом могут быть использованы, например, синтезаторы и усилители из [3 - стр. 142-143. Mini-Circuits. RF & Microwave components guide. 2010].BFS 3 is three frequency synthesizers that provide the formation of a transmitted PS signal, a sampling clock signal Fд, a local oscillator signal Fget and a power amplifier of the transmitted PS signal. In this case, for example, synthesizers and amplifiers from [3 - pp. 142-143. Mini-Circuits. RF & Microwave components guide. 2010].

PC 5 представляет собой делители мощности, разветвляющие передаваемый сигнал ПС, сигнал тактовой частоты дискретизации Fд, и сигнал гетеродина Fгет на N выходов с помощью делителей мощности [3 - стр. 136-140].PC 5 consists of power dividers that branch the transmitted PS signal, the sampling clock signal Fд, and the local oscillator signal Fget to N outputs using power dividers [3 - pp. 136-140].

В режиме передачи АФАР формирует передающую диаграмму направленности (ДН) путем установки в ППМ 1 требуемых фазовых соотношений регулировкой сдвига фазы передающего сигнала ПС в фазовращателях 9. При необходимости, амплитудное распределение в АФАР может быть установлено соответствующим выбором делителей мощности в PC 5.In the transmission mode, the AFAR generates a transmitting radiation pattern (BF) by setting the required phase relationships in the PML 1 by adjusting the phase shift of the transmitting signal of the PS in the phase shifters 9. If necessary, the amplitude distribution in the AFAR can be set by the appropriate choice of power dividers in PC 5.

Для случая плоской прямоугольной АФАР, апертура которой содержит Nx АЭ 11, установленных вдоль координаты X на расстоянии dx, и Ny АЭ 11, установленных вдоль координаты Y, на расстоянии dy, диаграмма направленности F(ϕ, θ) определяется как [2 - стр. 27-28]:For the case of a flat rectangular AFAR, the aperture of which contains N x AE 11 installed along the X coordinate at a distance of d x , and N y AE 11 installed along the Y coordinate at a distance of d y , the radiation pattern F (ϕ, θ) is defined as [ 2 - p. 27-28]:

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
Where
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

где Axi, Ayi - коэффициенты амплитудного распределения вдоль координат X и Y соответственно;where A xi , A yi are the coefficients of the amplitude distribution along the coordinates X and Y, respectively;

ψxi, ψyi - коэффициенты фазового распределения, представленные в виде фазовых сдвигов в фазовращателях 9, соединенных через циркулятор 10 с АЭ 11, которые расположены вдоль координат X и Y соответственно.ψ xi , ψ yi are the phase distribution coefficients presented in the form of phase shifts in the phase shifters 9 connected through the circulator 10 to the AE 11, which are located along the X and Y coordinates, respectively.

После поступления передающего сигнала ПС на подключенный к этому каналу антенный элемент (АЭ) 11 по соединительной цепи минимальной длины он излучается в пространство. После излучения ПС АФАР переходит в режим приема.After the transmitting signal PS arrives at the antenna element (AE) 11 connected to this channel, it is radiated into space via a connecting circuit of minimum length. After radiation PS AFAR goes into receive mode.

В режиме приема принимаемые отраженные сигналы с выхода каждого АЭ 11 в каждом ППМ 1 проходят через циркулятор 10, усиливаются в МШУ 12, преобразуются по частоте в ПРЧ 13 и представляются в виде цифровых отсчетов Smn(t) с помощью АЦП 22.In the receiving mode, the received reflected signals from the output of each AE 11 in each APM 1 pass through the circulator 10, amplified in the LNA 12, converted in frequency to the RFI 13 and presented in the form of digital samples S mn (t) using the ADC 22.

Из полученных цифровых отсчетов формируют приемную одно- или многолучевую ДН путем взвешенного суммирования в СЦДО 4. Число формируемых лучей определяется назначением АФАР.From the received digital readings, a single or multi-beam receiving beam is formed by weighted summing in DPS 4. The number of generated beams is determined by the purpose of the AFAR.

Отсчеты i-го луча с направлением максимума ϕi, θi вычисляются путем умножения цифрового потока с каждого ППМ 1 в перемножителях 15 на весовой множитель Wmn(ϕi, θi) из ПЗУ 16 и суммирования в цифровом сумматоре 17. Диаграмма направленности для i-го луча имеет видThe samples of the i-th beam with the maximum direction ϕ i , θ i are calculated by multiplying the digital stream from each PPM 1 in the multipliers 15 by the weight factor W mn (ϕ i , θ i ) from the ROM 16 and summing in the digital adder 17. The radiation pattern for i-ray has the form

Figure 00000004
Figure 00000004

где

Figure 00000005
Where
Figure 00000005

Сформированные отсчеты К приемных лучей с выходов формирователей 14 поступают в интерфейс 18, где преобразуются в последовательную форму и в виде последовательных кодов передаются на выход АФАР.The generated samples K of the receiving beams from the outputs of the formers 14 enter the interface 18, where they are converted into serial form and transmitted in the form of serial codes to the output of the AFAR.

В предлагаемом способе антенные элементы 11 соединяются линией связи минимальной длины со входом-выходом одного из канала многоканального ППМ 1. Такое построение в режиме приема снижает коэффициент шума приемной части АФАР, по сравнению с прототипом, на величину потерь в сумматоре-делителе мощности из состава антенной линейки прототипа, которые составляют, в зависимости от числа антенных элементов и используемого диапазона частот, не менее чем 0,5…1,5 дБ.In the proposed method, the antenna elements 11 are connected by a communication line of minimum length with the input-output of one of the channels of the multi-channel PPM 1. Such a construction in the reception mode reduces the noise figure of the receiving part of the AFAR, compared with the prototype, by the amount of loss in the adder-power divider from the antenna prototype lines, which, depending on the number of antenna elements and the frequency range used, are not less than 0.5 ... 1.5 dB.

В режиме передачи предлагаемый способ обеспечивает снижение потерь выходной мощности излучаемого сигнала, по сравнению с прототипом, за счет отсутствия сумматора-делителя мощности, на такую же величину 0,5…1,5 дБ.In transmission mode, the proposed method reduces the loss of output power of the emitted signal, compared with the prototype, due to the absence of an adder-power divider, by the same value of 0.5 ... 1.5 dB.

Работоспособность предлагаемого способа была проверена на макете устройства (фиг. 1). Испытания показали совпадение полученных характеристик с расчетными.The performance of the proposed method was tested on the layout of the device (Fig. 1). Tests showed the coincidence of the obtained characteristics with the calculated ones.

Claims (1)

Способ построения активной фазированной антенной решетки, при котором для излучения и приема сигналов используют антенные элементы, при этом в режиме передачи формируют передаваемый сигнал, усиливают его в усилителе мощности, распределяют с помощью распределительной системы, в режиме передачи устанавливают направление передающего луча с помощью фазовращателей, в режиме приема усиливают принимаемые сигналы, преобразуют по частоте, выполняют дискретизацию сигналов и формируют приемную диаграмму направленности путем взвешенного суммирования сигналов в системе цифрового диаграммообразования, отличающийся тем, что размещают антенные элементы на передних панелях многоканальных приемо-передающих модулей в узлах прямоугольной или треугольной сетки с шагом по вертикали и горизонтали, определяемым требуемым сектором сканирования, соответственно, в вертикальной и горизонтальной плоскостях, соединяют каждый излучатель линией связи минимальной длины со входом-выходом одного из каналов многоканального приемо-передающего модуля, при этом в передающей части каждого канала устанавливают фазовращатель, а для развязки приемной и передающей частей канала используют циркулятор, формируют антенное полотно активной фазированной антенной решетки из многоканальных приемо-передающих модулей, устанавливая их рядом друг с другом таким образом, чтобы поверхности их передних панелей были расположены в одной плоскости, а расстояние между излучателями сохранялось неизменным в вертикальной и горизонтальной плоскостях, при этом передние панели приемо-передающих модулей выполняют функцию экрана, формируют сигнал гетеродина, сигнал тактовой частоты дискретизации и распределяют их на многоканальные приемо-передающие модули, в режиме передачи формируют передающий луч с заданной формой путем установки фазовых и амплитудных соотношений передаваемого сигнала в каналах приемо-передающих модулей, в режиме приема выполняют дискретизацию сигнала на промежуточной частоте с выхода приемной части каждого канала приемо-передающего модуля и формируют из полученных отсчетов требуемое число лучей приемной диаграммы направленности.A method of constructing an active phased array antenna, in which antenna elements are used for emission and reception of signals, while in the transmission mode they form a transmitted signal, amplify it in a power amplifier, distribute using a distribution system, in the transmission mode, set the direction of the transmitting beam using phase shifters, in the receive mode, they amplify the received signals, convert them in frequency, perform discretization of the signals and form the receiving radiation pattern by weighted sums signal generation in a digital beamforming system, characterized in that the antenna elements are placed on the front panels of the multichannel transceiver modules in nodes of a rectangular or triangular grid with vertical and horizontal steps determined by the required scanning sector, respectively, in the vertical and horizontal planes, connect each radiator by a communication line of minimum length with the input-output of one of the channels of a multichannel transceiver module, while in the transmitting part of each channel a phase shifter is installed, and a circulator is used to decouple the receiving and transmitting portions of the channel, an antenna fabric of the active phased antenna array is formed from multi-channel transmitting and receiving modules, installing them next to each other so that the surfaces of their front panels are located in the same plane, and the distance between the emitters remained unchanged in the vertical and horizontal planes, while the front panels of the transceiver modules act as a screen, form a signal the local oscillator signal of the sampling clock frequency and distribute them to multichannel transceiver modules, in the transmission mode form a transmit beam with a given shape by setting the phase and amplitude ratios of the transmitted signal in the channels of the transceiver modules, in the receive mode, the signal is sampled at an intermediate frequency with the output of the receiving part of each channel of the transceiver module and form from the obtained samples the required number of rays of the receiving radiation pattern.
RU2019103850A 2019-02-12 2019-02-12 Method of constructing an active phased antenna array RU2697194C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019103850A RU2697194C1 (en) 2019-02-12 2019-02-12 Method of constructing an active phased antenna array

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019103850A RU2697194C1 (en) 2019-02-12 2019-02-12 Method of constructing an active phased antenna array

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2697194C1 true RU2697194C1 (en) 2019-08-13

Family

ID=67640496

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019103850A RU2697194C1 (en) 2019-02-12 2019-02-12 Method of constructing an active phased antenna array

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2697194C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2730120C1 (en) * 2020-02-07 2020-08-17 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Method of constructing an active phased antenna array

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008256502A (en) * 2007-04-04 2008-10-23 Mitsubishi Electric Corp Active phased array antenna apparatus
RU2338307C1 (en) * 2007-11-06 2008-11-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" Active phased antenna array
EP2975688A1 (en) * 2014-07-15 2016-01-20 Alcatel Lucent Antenna feed and method of configuring an antenna feed
RU2583336C1 (en) * 2014-12-15 2016-05-10 Акционерное общество "Государственный Рязанский приборный завод" Active phased array transceiver
RU2592731C1 (en) * 2015-04-27 2016-07-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Method of constructing antenna array
US20170040710A1 (en) * 2015-08-09 2017-02-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy System including a hybrid active array

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008256502A (en) * 2007-04-04 2008-10-23 Mitsubishi Electric Corp Active phased array antenna apparatus
RU2338307C1 (en) * 2007-11-06 2008-11-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" Active phased antenna array
EP2975688A1 (en) * 2014-07-15 2016-01-20 Alcatel Lucent Antenna feed and method of configuring an antenna feed
RU2583336C1 (en) * 2014-12-15 2016-05-10 Акционерное общество "Государственный Рязанский приборный завод" Active phased array transceiver
RU2592731C1 (en) * 2015-04-27 2016-07-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Method of constructing antenna array
US20170040710A1 (en) * 2015-08-09 2017-02-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy System including a hybrid active array

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КУЗЬМИН С.З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев. 2000 г., с.25, рис.2.3, 2.5. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2730120C1 (en) * 2020-02-07 2020-08-17 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Method of constructing an active phased antenna array

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9124361B2 (en) Scalable, analog monopulse network
CN102955155B (en) Distributed active phased array radar and beam forming method thereof
US10979117B2 (en) Method, system and apparatus for beam forming in a radio frequency transceiver with reduced complexity
CN103401072B (en) Periodic amplitude control-based phased-array antenna system and wave beam control method
US11536799B2 (en) Electronic device, radar device and radar control method
CN112073097B (en) Self-calibration device for hybrid beam forming receiving array
RU2697194C1 (en) Method of constructing an active phased antenna array
Peng et al. Radio frequency beamforming based on a complex domain frontend
RU2717258C1 (en) Method of constructing an active phased antenna array
RU2697389C1 (en) Combined radar and communication system on radio photon elements
RU2730120C1 (en) Method of constructing an active phased antenna array
RU2410804C1 (en) Multibeam active antenna array
RU2723299C1 (en) Method of constructing a radar station
RU2732803C1 (en) Method for digital formation of beam pattern of active phased antenna array during radiation and reception of linear-frequency-modulated signals
Wu Digital array radar: Technology and trends
KR102112185B1 (en) Digital active array radar apparatus and performance test method using the same
RU2688836C1 (en) Two-banding receiving and transmitting active phased antenna array
Pshenichkin et al. The System of Summed Signals' Phase Correction of Solid State Amplifiers in Output Stages of Transmitters in Perspective Radars
RU2577827C1 (en) Self-focusing multibeam antenna array
JP6502218B2 (en) Transmit / receive module and active phased array antenna
KR102112184B1 (en) Fully digital active array radar apparatus and performance test method using the same
KR102112186B1 (en) Active array radar apparatus and performance test method using the same
RU171330U1 (en) Multichannel transceiver module of an active phased array antenna
RU2626623C1 (en) Multichannel digital receiving module with optical channels of information exchange, control and chronization
RU2751980C2 (en) Converter transceiver module of digital antenna array with orthogonal control (options)