Патент на изобретение №2324950

(54) АНТЕННО-ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩАЯ СИСТЕМА РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технике активных фазированных антенных решеток (АФАР) и может быть использовано при создании радиолокационных стаций (РЛС) мобильных объектов. Достигаемый технический результат – возможность прецизионного сканирования в двух плоскостях и измерение угла места и азимута цели при одновременной минимизации затрат на аппаратурную реализацию системы за счет уменьшения количества приемопередающих модулей АФАР и упрощение системы теплоотвода. Антенно-приемопередающая система (АППС) РЛС содержит горизонтально расположенную одномерную приемопередающую АФАР, состоящую из распределительного устройства и приемопередающих модулей (ППМ). В каждый ППМ входят циркулятор, ограничитель, малошумящий усилитель, переключатель прием-передача, усилитель мощности, фазовращатель, а также двумерная отражательная фазированная антенная решетка (ФАР), включающая в себя облучатель, двумерную решетку диэлектрических излучателей, соединенных с отражательными ферритовыми фазовращателями, которые соединены с системой управления лучом ФАР. Вход/выход двумерной отражательной ФАР соединен с циркулятором ППМ. Вход/выход системы управления лучом двумерной отражательной ФАР соединен с внешним задающим устройством РЛС. 3 ил.

Изобретение относится к технике активных фазированных антенных решеток (АФАР), в частности к антенно-приемопередающим системам (АППС), и может быть использовано при создании радиолокационных стаций мобильных объектов.

Из известных устройств наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности является антенно-приемопередающая система радиолокационной станции (АППС РЛС), выполненная на базе приемопередающей АФАР, предназначенной для обзора пространства в составе бортовой радиолокационной станции (Introduction to Airborne Radar, second edition, George W. Stimson, Electronically Steered Array Antennas (ESAs), chap.37, Scitech publishing, Inc., Mendham, New Jersey, 1998), выбранная в качестве прототипа.

Известная АППС РЛС (фиг.1) содержит приемопередающие модули (ППМ) 1, в каждый из которых входят: излучатель 2, вход (выход) которого подключен к третьему плечу циркулятора 3, первое плечо которого подключено к входу ограничителя 4, выход ограничителя 4 соединен с входом малошумящего усилителя (МШУ) 5, выход которого подключен к первому плечу переключателя прием-передача 6, второе плечо которого соединено с входом усилителя мощности 7, выход которого подключен к второму плечу циркулятора 3. Третье плечо переключателя прием-передача 6 подключено к входу фазовращателя 8, выход которого подключен к одному из N входов (выходов) распределительного устройства 9, вход которого подключен к выходу задающего устройства РЛС. Выход распределительного устройства 9 соединен с входом приемного устройства РЛС.

Известное устройство-прототип работает следующим образом.

В режиме излучения мощности СВЧ-сигнал от задающего устройства РЛС поступает на вход распределительного устройства 9, в котором распределяется между N выходами. Далее СВЧ-сигнал с каждого из N выходов распределительного устройства 9 поступает в фазовращатели 8 ППМ 1. В фазовращателях 8 производится изменение фазы излучаемого сигнала в соответствии с требуемым направлением излучения и местоположением ППМ. С выхода фазовращателя 8 сигнал поступает на третье плечо переключателя прием-передача 6, который в режиме излучения мощности коммутирует сигнал на второе плечо. Далее сигнал усиливается усилителем мощности 7, поступает на второе плечо циркулятора 3 и далее через третье плечо циркулятора 3 поступает в излучатель 2 и излучается в пространство.

В режиме приема мощности сигнал, отраженный от цели, принимается излучателем 2, поступает на третье плечо циркулятора 3 и далее через первое плечо циркулятора 3 поступает на вход ограничителя 4 и через него на вход МШУ 5. В режиме приема мощности первое плечо переключателя 6 подключается к третьему, и сигнал с выхода МШУ 5 поступает на вход фазовращателя 8 и далее к одному из N входов (выходов) распределительного устройства 9, в котором производится сложение уже синфазных сигналов от N ППМ и формирование диаграммы направленности на прием. С выхода распределительного устройства 9 сигнал, принятый антенно-приемопередающей системой, поступает на вход приемного устройства РЛС.

Данное устройство имеет преимущество перед антенными системами с пассивными фазированными антенными решетками, заключающееся в гибком управлении амплитудно-фазовым распределением. В то же время известному устройству присущи следующие недостатки:

– отсутствие возможности сканирования по углу места и, следовательно, невозможность определения угла места;

– трудности организации теплоотвода при плотном размещении приемопередающих модулей;

– наличие большого количества приемопередающих модулей и, следовательно, большая стоимость АППС РЛС.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в создании АППС РЛС, выполненной на базе приемопередающей АФАР, обеспечивающей прецизионное сканирование диаграммы направленности в двух плоскостях и измерение угла места и азимута цели при одновременной минимизации затрат на аппаратурную реализацию АППС РЛС.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в создании АППС РЛС, представляющей композицию приемопередающей АФАР и комплекта идентичных ФАР, являющихся излучателями каждого ППМ приемопередающей АФАР, и обеспечивающей прецизионное сканирование в двух плоскостях и измерение угла места и азимута цели при одновременной минимизации затрат на аппаратурную реализацию АППС РЛС за счет уменьшения количества приемопередающих модулей и упрощение системы теплоотвода вследствие разреженного расположения приемопередающих модулей.

Сущность изобретения заключается в том, что антенно-приемопередающая система радиолокационной станции содержит горизонтально расположенную одномерную, приемопередающую АФАР, состоящую из распределительного устройства и N приемопередающих модулей, в каждый из которых входят циркулятор, ограничитель, малошумящий усилитель, переключатель прием-передача, усилитель мощности, фазовращатель, при этом первое плечо циркулятора подключено к входу ограничителя, выход которого соединен с входом малошумящего усилителя, выход которого соединен с первым отводом переключателя прием-передача, второй отвод которого подключен к входу усилителя мощности, выход которого подключен ко второму плечу циркулятора, а третий отвод переключателя прием-передача соединен с входом (выходом) фазовращателя, выход (вход) которого подключен к одному из N-входов (выходов) распределительного устройства.

В отличие от прототипа в каждый из N приемопередающих модулей введена двумерная отражательная ФАР, включающая в себя облучатель, двумерную решетку диэлектрических излучателей, соединенных с отражательными ферритовыми фазовращателями, управляющие входы которых соединены с системой управления лучом двумерной отражательной ФАР, причем вход (выход) двумерной отражательной ФАР соединен с третьим плечом циркулятора приемопередающего модуля, при этом вход (выход) системы управления лучом двумерной отражательной ФАР соединен с внешним задающим устройством РЛС.

В предлагаемом устройстве горизонтально расположенная одномерная приемопередающая АФАР выполнена разреженной с уменьшенным количеством приемопередающих модулей, излучатели которых выполнены в виде двумерных отражательных ФАР, обеспечивающих сканирование луча в двух взаимноперпендикулярных плоскостях.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

– на фиг.2 представлена структурная схема предлагаемой АППС РЛС;

– на фиг.3 – структурная схема двумерной отражательной фазированной антенной решетки, являющейся излучателем каждого приемопередающего модуля АППС РЛС.

Предлагаемая АППС РЛС (фиг.2) содержит горизонтально расположенную одномерную приемопередающую АФАР, состоящую из распределительного устройства 9 и приемопередающих модулей 10. В каждый приемопередающий модуль (ППМ) 10 входят циркулятор 3, ограничитель 4, малошумящий усилитель 5, переключатель прием-передача 6, усилитель мощности 7, фазовращатель 8. При этом первое плечо циркулятора 3 подключено к входу ограничителя 4, выход которого соединен с входом малошумящего усилителя 5, выход которого соединен с первым отводом переключателя прием-передача 6, второй отвод которого подключен к входу усилителя мощности 7. Выход усилителя мощности 7 подключен ко второму плечу циркулятора, а третий отвод переключателя прием-передача 6 соединен с входом (выходом) фазовращателя 8, выход (вход) которого подключен к одному из N-входов (выходов) распределительного устройства 9.

В отличие от прототипа в каждый из N приемопередающих модулей введена двумерная отражательная ФАР 11 (фиг.3), включающая в себя облучатель 12, двумерную решетку диэлектрических излучателей 13, соединенных с отражательными ферритовыми фазовращателями 14, управляющие входы которых соединены с системой управления лучом 15 двумерной отражательной ФАР. Вход (выход) двумерной отражательной ФАР соединен с третьим плечом циркулятора 3 ППМ 10. Вход (выход) системы управления лучом 15 двумерной отражательной ФАР соединен с внешним задающим устройством РЛС.

Предлагаемая АППС РЛС работает следующим образом.

В режиме излучения мощности СВЧ-сигнал от задающего устройства РЛС поступает на вход распределительного устройства 9, в котором распределяется между N выходами. Далее СВЧ-сигнал с каждого из N выходов распределительного устройства 9 поступает в фазовращатели 8 ППМ 10. В фазовращателях производится изменение фазы излучаемого сигнала в соответствии с требуемым направлением излучения в азимутальной плоскости и местоположением ППМ. С выхода фазовращателя 8 сигнал поступает на третье плечо переключателя прием-передача 6, который в режиме излучения мощности коммутирует сигнал на второе плечо.

Далее сигнал усиливается усилителем мощности 7, поступает на второе плечо циркулятора 3 и далее через третье плечо циркулятора 3 поступает в двумерную отражательную ФАР 11. СВЧ-сигнал, поступивший на вход двумерной отражательной ФАР 11 (фиг.3), излучается облучателем 12 и поступает в диэлектрические излучатели 13, которые образуют двумерную ФАР. В решетке диэлектрических излучателей 13 за счет выбора расстояния между облучателем 12 и излучателями 13 с учетом диаграммы направленности облучателя 12 формируется заданное амплитудное распределение поля в двумерной решетке диэлектрических излучателей 13.

Далее СВЧ-сигнал поступает из каждого диэлектрического излучателя 13 антенной решетки в отражательный ферритовый фазовращатель 14. Фазовый сдвиг СВЧ-сигнала в каждом фазовращателе 14 формируется сигналом управления, поступающим из системы управления лучом 15 двумерной отражательной ФАР, на которую от задающего устройства РЛС поступает сигнал управления, определяющий фазовые сдвиги СВЧ-сигналов в каждом из фазовращателей в зависимости от направления излучения как по азимуту, так и по углу места, а также от координат диэлектрического излучателя 13 в двумерной отражательной ФАР.

В результате отражения СВЧ-сигнала фазовращателями 14 и переизлучения его диэлектрическими излучателями 13 в свободное пространство за счет интерференции формируется поле излучения, главный лепесток которого направлен в заданное направление как по азимуту, так и по углу места. Поскольку все двумерные отражательные ФАР 11 идентичны, то и сигналы управления, поступающие в систему управления лучом 15 двумерной отражательной ФАР от задающего устройства РЛС, идентичны.

АППС РЛС на прием работает следующим образом.

СВЧ-сигнал, отраженный от цели, падает на двумерные отражательные ФАР 11, поступает в диэлектрические излучатели 13 и затем в отражательные фазовращатели 14. В соответствии с фазовыми сдвигами, полученными в отражательных фазовращателях 14, определяемыми сигналами управления, которые сформированы в системах управления лучом 15 двумерной отражательной ФАР сигналами управления, поступившими от задающего устройства РЛС, СВЧ-сигналы переизлучаются диэлектрическими излучателями 13 и фокусируются в облучателе 12.

Затем СВЧ-сигналы поступают на третьи плечи циркуляторов 3 и далее через первые плечи циркуляторов 3 поступают на ограничители 4, и через них поступают на входы малошумящих усилителей 5, усиливаются и поступают на первые плечи переключателей прием-передача 6, которые в режиме приема подключаются к третьим плечам переключателей прием-передача 6, и через фазовращатели 8 поступают на один из N входов распределительного устройства 9. В распределительном устройстве 9 производится синфазное сложение СВЧ-сигналов от N приемопередающих модулей, и формируется диаграмма направленности на прием. С выхода распределительного устройства 9 сигнал, принятый АППС, поступает на вход приемного устройства РЛС.

Если приемопередающие модули 10 АФАР как на излучение, так и на прием имеют идентичные амплитудно-фазовые характеристики, то сигналы управления, поступающие в фазовращатели 8 от задающего устройства РЛС в режиме приема и передачи, будут одинаковыми. В этом случае максимумы диаграммы направленности АППС на прием и на излучение будут совпадать.

Коэффициент разрежения приемопередающих модулей АФАР равен количеству диэлектрических излучателей 13 в отражательной ФАР в горизонтальной плоскости.

Таким образом, предлагаемое техническое решение, в отличие от прототипа, обеспечивает сканирование диаграммы направленности как в азимутальной, так и в угломестной плоскости за счет введения в каждый приемопередающий модуль АФАР двумерных отражательных ФАР, в то время как одномерная АФАР обеспечивает сканирование только в азимутальной плоскости.

В то же время при плотном размещении диэлектрических излучателей на расстоянии друг от друга порядка половины длины волны излучения, расстояния между приемопередающими модулями в АФАР будут тем больше, чем больше количество излучателей в отражательных ФАР. Другими словами, количество приемопередающих модулей в АФАР уменьшается обратно пропорционально размеру двумерной отражательной ФАР в горизонтальной плоскости. При этом решается проблема теплоотвода от приемопередающих модулей АФАР, поскольку в разреженной АФАР система охлаждения может быть организована проще за счет больших расстояний между отдельными приемопередающими модулями в АФАР.

Проведенные испытания экспериментального образца антенно-приемопередающей системы, состоящей из 4-х приемопередающих модулей АФАР и 4-х двумерных отражательных ФАР, каждая из которых состоит из 100 отражательных фазовращателей, показали следующее: точность пеленга в азимутальной плоскости ±10 угловых минут и в угломестной плоскости ±30 угловых минут. Уровень боковых лепестков АППС не превышает минус 18 децибел при секторе сканирования в азимутальной плоскости ±45° и в угломестной плоскости ±30°. При этом коэффициент разрежения АФАР равнялся 10, то есть количество приемопередающих модулей АФАР было уменьшено в 10 раз по сравнению с АППС, выполненной только на базе АФАР.

Формула изобретения

Антенно-приемопередающая система радиолокационной станции, содержащая горизонтально расположенную одномерную приемопередающую активную фазированную антенную решетку, состоящую из N приемопередающих модулей и распределительного устройства с N входами/выходами, предназначенного для распределения между N приемопередающими модулями СВЧ-сигнала от внешнего задающего устройства радиолокационной станции в режиме излучения и для синфазного сложения СВЧ-сигналов от N приемопередающих модулей и формирования диаграммы направленности в режиме приема приемного устройства радиолокационной станции, при этом в каждый из N приемопередающих модулей входят циркулятор, ограничитель, малошумящий усилитель, переключатель прием-передача, усилитель мощности, фазовращатель, причем первое плечо циркулятора подключено к входу ограничителя, выход которого соединен с входом малошумящего усилителя, выход которого соединен с первым отводом переключателя прием-передача, второй отвод которого подключен к входу усилителя мощности, выход которого подключен к второму плечу циркулятора, а третий отвод переключателя прием-передача соединен с входом/выходом фазовращателя, выход/вход которого подключен к одному из N входов/выходов указанного распределительного устройства, отличающаяся тем, что каждый из N приемопередающих модулей введена двумерная отражательная фазированная антенная решетка, включающая в себя облучатель, двумерную решетку диэлектрических излучателей, соединенных с соответствующими отражательными ферритовыми фазовращателями, управляющие входы которых соединены с системой управления лучом двумерной отражательной фазированной антенной решетки, вход/выход двумерной отражательной фазированной антенной решетки соединен с третьим плечом циркулятора, при этом в режиме излучения СВЧ-сигнал, поступающий на вход двумерной отражательной фазированной антенной решетки через третье плечо циркулятора соответствующего N приемопередающего модуля излучается облучателем и поступает в диэлектрические излучатели двумерной решетки, в режиме приема СВЧ-сигналы переизлучаются диэлектрическими излучателями двумерной решетки, фокусируются в облучателе и поступают на третье плечо циркулятора соответствующего N приемопередающего модуля, кроме того, вход/выход системы управления лучом двумерной отражательной фазированной антенной решетки соединен с внешним задающим устройством радиолокационной станции.

РИСУНКИ