Устройство распределенного автофазирования антенной решетки

,%9институт томатики И, Каганов идетельст Н 01 0 3/ радиотехник и А, П. Пирхавка о СССР26, 1987, протоОГО РЕАСПР ИЯ А ЕННО ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(57) Использование: в антенных решетках с электрическим управлением диаграммой направленности для повышения точности формирования фазового распределения в широком диапазоне частот, Сущность изобретения: устройство содержит К каналов, каждый из которь 1 х содержит управляемые фазовращатели (1), интеграторы (2), первые блоки вычитания (3), блок управления (4); фазовые дискриминаторы, (5) с квадратур- ными выходами, блок коммутации (б) и второй блок вычитания (7). 1 - 5 - б - 3 - 2 - 1, 6 - 4 - 3, 1 - 5 - 6 - 7 - 3 - 2 - 1. 1 ил., 2 табл.Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования в антенных решетках с электрическим сканированием,Цель изобретения - повышение точности формирования фазового распределения при работе в диапазоне частот.Поставленная цель достигается тем, что в устройство распределенного автофаэирования антенной решетки, содержащее блок управления, э также И каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных первого блока вычитания, интегратора и управляемого фазовращателя, сигнальный вход которого является входом, а выход - выходом соответствующего канала, выход блока управления через шину управления соединен со вторым входом первого блока вычитания каждого канала, при этом каждый 1-й канал 0=1,2,3, К- - 1) содержит фазовый дискриминатор, первый вход которого соединен с выходом управляемого фазовращателя соответствующего канала, а второй вход фазового дискриминатора первого канала соединен с первым входом фазового дискриминатора второго канала, в каждый 1-й канал введены последовательно соединенные переключатель и управляемый инвертор, управляющие входы которых через шину управления подключены к выходу блока управления, а в каждый 1-й канал, начиная со второго, введен второй блок вычитания, выход и первый вход которого подключены соответственно к выходу первого блока вычитания и к выходу управляемого инвертора соответствующего канала, а второй вход второго блока вычитания соответствующего канала подключен к выходу управляемого инвертора предыдущего канала, при этом первый вход первого блока вычитания первого и й-го каналов подключен соответственно к выходу управляемого инвертора первого и(К - 1)-го каналов, фазовый дискриминатор снабжен квадратурным выходом, причем квадратурный и синфазный выходы фазового дискриминатора каждого канала соединены соответственно с первым и вторым входами переключателя соответствующего канала, а второй вход фазового дискриминатора соответствующего канала, начиная со второго, соединен с выходом управляемого фазовращателя последующего канала.Указанная совокупность отличительных от прототипа признаков в известных аналогах и других технических решениях ранее не использовалась, В заявляемом устройстве благодаря осуществлению коммутации выходных напряжений фазовых дискриминаторов не наблюдается рост ошибок фазирования при работе устройствав диапазоне частот, Кроме того, исключениеиэ устройства высокочастотного сумматораи дискретных фазовращателей, которым не 5 минуемо присущи определенные фазовыепогрешности, также обеспечивает снижение ошибок при формировании требуемогофазового распределения в апертуре антенной решетки.10 Нэ чертеже представлена структурнаясхема устройства распределенного автофазирования антенной решетки.Устройство содержит в каждом каналеуправляемый фазовращатель 1, интегратор15 2, первый блок вычитания 3, э также общийдля всех каналов блок управления 4. Во всехканалах, за исключением И-го, устройствосодержит фазовый дискриминатор. 5 и блоккоммутации 6, Во всех каналах, за исключе 20 нием первого и М-го, устройство содержитвторой блок вычитания 7.Являющийся выходом канала выход управляемого фазовращателя 1 во всех каналах, кроме 1 ч-го, соединен с первым входом25 фазового дискриминатора 5, первый и второй выходыкоторого подключены соответственно к первому и второму выходам блокакоммутации 6, Второй вход фазового диск- риминатора 5 1-го канала (1 = 1, 2, , й - 1)30 подключен к выходу(1 + 1)-го канала. Выходблока коммутации 6 всех каналов, кромепервого, соединен с первым входом второгоблока вычитания 7, второй вход которогосвязан с выходом блока коммутации 6 пред 35 ыдущего канала, а выход - с первым входомпервого блока вычитания 3. Выход блокакоммутации 6 первого канала соединен спервым входом первого блока вычитания 3.Выход первого блока вычитания 3 в каждом40 1-м канале через интегратор 2 соединен суправляющим входом управляемого фазовращателя 1. В И-м канале первый вход первого блока вычитания 3 подключен к выходублока коммутации 6 (й - 1)-го канала, а вы 45 ход через интегратор 2 - к управляющемувходу управляемого фазовращателя 1 й-гоканала, Сигнальные входы управляемых фазовращателей являются входами каналов,Выход блока управления 4 через шину уп 50 равления подключен ко вторым входампервых блоков вычитания 3 и к входам уп-.равления блоков коммутации 6.Устройство работает следующим образом,В результате действия контура фазовойавтоподстройки, включающего управляемый фазовращатель 1, фазовый дискриминатор 5, блок коммутации 6, первый блок вычитания 3 и интегратор 2, фазы выходногосигнала первого и М-го каналов подстраива10 ются соответственно под фазу выходного сигнала второго и (1 ч - 1)-го каналов, В качестве датчика фазовых рассогласований выходных сигналов соседних каналов используются фазовые дискриминаторы 5 с квадратурными выходами, т. е, формирующие напряжения, пропорциональные синусу и косинусу фаз сигналов на выходе соседних каналов. При установке требуемых межканальных разностей фаз с помощью блока коммутации 6 осуществляется подача одного из выходных напряжений фазового дискриминатора на первый вход первого блока вычитания. Причем одновременно возможно его инвертирование, В зависимости от номинального значения устанавливаемой межканальной разности фаз ЬЪ алгоритм переключения выходныхнапряжений фазовых дискриминаторов 5 с помощью блока коммутации 6 может быть задан табл, 2,Для точной установки требуемого значения межканальной разности фаз на второй вход первого блока вычитания 3 первого и й-го каналов подаются соответствующие напряжения от блока управления 4, что приводит к плавному смещению нуля характеристики фазового дискриминатора 5.В остальных каналах управление блоками коммутации 6 осуществляется по алгоритму, заданному табл. 1. При этом для реализации распределенного управления во все, кроме крайних, каналы вводятся вторые блоки вычитания 7, на выходе которых вырабатывается напряжение, пропорциональное отличию межканальных разностей фаз двух смежных пар соседних каналов, В результате действия контуров фазовой автоподстройки происходит выравнивание данных разностей фаз по всей апертуре, Абсолютное значение данных разностей определяется, помимо состояния блоков коммутации, лишь напряжением, подаваемым от блока управления на вторые входы первых блоков вычитания первого и 1 ч-го каналов. Если значения межканэльных разностей фаз по апертуре отличаются, т. е. формируется нелинейное распределение фаз, то соответствующие напряжения под-. аются от блока управления на вторые входы первых блоков вычитания всех остальных каналов. При реализации предложенного алгоритма управления блоком 6 выходное напряжение ОБв 21 второго блока вычитания произвольного 1-го канала определяется со- отношением ОБВ 21 = К 31 п( О - 0 + 1 + уз )- К з 1 п (р - 1 Р +93)=Ксоз( +5)з 1 п(Р2 где К - коэффициент пропорциональности;ф определяется состоянием блока коммутации 6 или (что то же самое) требуемойхарактеристикой фазового дискриминатора5 (тэбл. 1),Из сопоставления укаэанного соотношения и табл. 2 следует, что при любом значенииР+ +Р - 1ЛЪ величина соз( +7 ф) не202уменьшается более чем в 1/ 2 раза и неменяет знак на обратный, То есть крутизнарабочего участка характеристики фазовогодискриминатора 5 не уменьшается более25 чем в 1/ 2 раза при любом фазовом распределении на выходах каналов, что гарантирует устойчивость и эффективностьдействия контуров фазовой эвтоподстройкивсех каналов.Из известного соотношения также следует, что в предлагаемом устройстве выполняется алгоритм распределенного управления,поскольку напряжение Оввз(1 =2, К - 1),являющееся фактически сигналом ошибки контура фазовой автоподстройки,пропорционально синусу разностиР+1+Р -р . Следовательно, фаза2сигнала на выходе каждого из некрайних40 каналов подстраивается под среднее значение фаз сигналов соседнйх каналов, что иявляется алгоритмом распределенного управления.В заявляемом устройстве могут быть45 применены аналоговые управляемые фэзовращатели 1 любого типа. Блок управления 4 может быть реализован на основекомандных устройств табличного типа либона базе специализированных вычислитель 50 ных схем с использованием операционных усилителей для формирования напряжений управления, подаваемых на вторые входы первых блоков вычитания 3. Первый и второй блоки вычитания, а также интегратор 2 могут быть выполнены на основе операционных усилителей. Возможна реализация фазовых дискриминаторов 5 с квадратурными выходами нэ основе мостовых устройств.Широкополосные свойства такого фазового дикриминатора однозначно определяютсярабочей полосой мостовых устройств, которая может составлять, например, октаву, если мосты реализованы на связанных линиях, Блок коммутации 6 осуществляет в соответствии с командами блока управления лучом подключение одного из выходов фазового дискриминатора к входам последующих блоков и, при необходимости, инвертирование выходных сигналов фазовых дискриминаторов (табл. 2). Блок коммутации 6 может быть выполнен на транзисторах и операционных усилителях.В прототипе при работе в диапазоне частот длины коммутируемых отрезков дискретных фазовращателей рассчитываются на центральной частоте. Пусть диапазон частот составляет от 1 н =1 ГГц до ЬГГц, т. е. центральная частота равна 1 о = 1,5 ГГц, Рассмотрим случай, когда рабочая частота совпадает с нижней частотой диапазона 1 ГГц, а номинальное значение межканальной разности фаз находится в интервале 90ЬЪ135. При этом в одном из дискретных фазовращателей, включенном на входе высокочастотного сумматора, подключается отрезок линии длиной 4 /4, где Ло= 20 см - длина волны на центральной частоте. Такой фазовращатель должен вносить фазовый сдвиг, равный 90. Одновременно в дискретном фазовращателе, включенном на выходе высокочастотного сумматора, коммутируются отрезки линий длиной 20 18 и 3 А /8, и он должен Вносить фазовый сдвиг 135 О с целью компенсации фазового сдвига первого фазовращателя 90 и сохранения неизменным знака обратной связи в устройстве. Фактически и Си умень.шении рабочей частоты до 1 ГГц данный фазовращатель будет вносить фазовый сдвиг2 й Яо о 2 д 34 ЬР 1 = - :6 щир: -- :90 Он,4 Ян 8 соответственно, В результате при ошибке первого фазовращателя 30 суммарная ошибка Ьфш второго выходного) дискретнога фазовращателя оказывается СавнойЬФ 1180 -) - Л рг =60,.Таким образом, в прототипе ошибка фазирования при работе в октавной полосе окажется равной 60 О, В заявляемом устройстве данная ошибка фазирования не возникает ввиду отсутствия в нем дискретных фазовращателей и осуществления аналогичной по цели коммутации на низкой частоте, т. е.на выходах фазовыхдискриминаторов 5.лишь нестабильностью нуля фазовых диск 20 СиминатоСов, которая составляет порядка2 - 3 при использовании схем на основемостовых устройств.Таким образом, по сСавнению с прото 25 типом фазовые ошибки в предлагаемом устройстве уменьшаются при работе в диапазоне частот более чем на порядок, что приводит к улучшению всех основных хаСактеристик антенной решетки; увеличению 30 коэффициента направленного действия. уменьшению уровня боковых лепестков, су. жению главного лепестка диаграммы напСавленности. При этом менее жесткие тСебования пСедьявляются к стабильности 35 фазочастотных характеристик всех узлов антенной решетки, что упрощает ее практи ческую реализацию. Возможность обеспечения высокочастотного фазирования й полосе частот позволяет улучшить хаСакте 40 Систики радиотехнических средств, в составкоторых входит заявляемое устройство, вчастности, за счет использования более шиСокополосных сигналов. ф о С мула и зоб Сете н и я Устройство распСеделенного автофазиСования антенной решетки, содержащее блок упСавления, а также И каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных первого блока вычитания, интегратора и управляемого фазовращателя, сигнальный вход которого является входом, а выход - выходом соответствующего канала, выход блока управления через шину управления соединен с вторым входом первого блока вычитания каждого канала, при этом каждый Иый канал, где = 1, 2.3, , К - 1, содержит фазовый дискриминаССеднее квадратичное отклонение фазового набега в отрезке микрополосковой линии передачи с учетом разброса эффективного значения диэлектрической прони цаемости и волновых сопротивлений из-законструктивно-технологических погрешностей изготовления составляет: при фазовом набеге Ьр=180 О, о = 0,37, при Ьр =360 О, о,р = 1,77, при Ьр= 540 О, а 10 =2,9 О. В дискретных фазовращателях, в высокочастотном сумматоре и соединяющих их фидерах суммарный фазовый набег может составлять порядка 540. В результате колебания фазового набега возможны в 15 пределах + 3 ст, +.ф. 9 О, что приведет каналогичнь 1 м погрешностям в установке фазового распределения в апертуре. В заявляемом устройстве данные ошибки фазиСования отсутствуют, так как определяются1800526 Таблица 1 Таблица 2 Составитель А. ПирхавкТехред М. Моргентал рректор П. Гере Редактор С, Кулак Заказ 1169 . Тираж . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5тор, первый вход которого соединен с выходом управляемого фазоврэщателя соответствующего канала, а второй вход фазового дискриминатора первого канала соединен с первым входом фазового дискриминатора 5 второго канала, отлича ющеесятем, что, с целью повышения точности формиро- . вания фазового распределения в широком диапазоне частот, в каждый 1-тый канал введены последовательно соединенные пере ключатель и управляемый инвертор, управляющие входы которых через шинууправления подключены к выходу блока управления, а в каждый 1-тый канал, начиная с второго, введен второй блок вычитания, вы ход и первый вход которого подключены соответственно к входу первого блока вычитания и к выходу управляемого инвертора соответствующего канала, а второй вход второго блока вычитания соответствующего канала подключен к выходу управляемого инвертора предыдущего канала, при этом вход первого блока вычитания первого и Й-го каналов подключен соответственно к выходу управляемого инвертора первого и (й - 1)-го каналов, фазовый дискриминатор снабжен квадратурным выходом, причем квадратурный и синфазный выходы фазового дискриминатора каждого канала соединены соответственно с первым и вторым входами переключателя соответствующего канала, а второй вход фазового дискриминатора соответствующего канала, начиная с второго, соединен с выходом . управляемого фазовращателя последующего канала.