Устройство управления положением луча фазированной антенной решетки

СОГОЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ/26, 1986,РАВЛЕНИЯ ПОЛОРОВАННОЙ АНТЕНнтеннои технике д фазирования. Су ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) УСТРОЙСТВО УЖЕНИЕМ ЛУЧА ФАЗИНОЙ. РЕ Ш ЕТКИ(57) Использование; вповышения точности 51)5 Н 01 О 21/00, 3/2 ность изобретения: устройство содержит й каналов 1, смесители 2, излучатели 3, блок управления 4, кварцевый генератор 5, сумматор мощности 6, управляемый усилитель постоянного тока 7, первый 8 и второй 12 формирователи прямоугольных импульсов, формирователь линейно-нарастающего напряжения 9, делитель напряжения 10, выполненный в виде последовательной цепочки резисторов, компэратор 11, преобраЗователь импульсов в синусоидальное напряжение 13. 4 ил.50 Изобретение относится к антенной технике, в частности к активным фазированным антенным решеткам (ФАР),Управление положением луча ФАР осуществляется формированием п рогрессивного фазового сдвига сигналов отизлучателя к излучателю.Известны способы и устройства управления положением луча ФАР с использованием фазовращателей .СВЧ, количествокоторых не менее числа излучателейНедостатки таких устройств: сложностьизготовления, ограниченный сектор сканирования, низкая точность фаэирования и,следовательно, установки луча в требуемомнаправлении, что приводит к необходимости расширять основной лепесток (луч) диаграммы направленности.В ряде устройств управления положением луча ФАР число фазовращателей сокращается в несколько раз, что длямногоэлементных ФАР является важным,но не устраняет отмеченные выше недостатки.Известны также устройства управленияположением луча ФАР с использованиемметода гетеродирования, при котором формирование прогрессивного фазового сдвига осуществляется на пониженной(промежуточной) частоте.Достоинства таких устройств. исключение фазовращателей СВЧ,Недостатки: ограниченный сектор сканирования, низкая точность фазированияиэ-за больш;о числа фазосцвигающих элементов, работа тогько на прием,Близким и базовым техническим решением для предлагаемого изобретения является устройство управления положениемлуча ФАР, содержащее блок управления,сумматор мощности, первый и второй кварцевые генераторы, й каналов, каждый изкоторых (кроме первого). состоит из последовательно соединенных излучателя, первого, второго и третьего смесителей,управляемый фаэовращатель, четвертый ипятый смесители.Первые входы 4-го и 5-го смесителейсоединены с выходом 2-го кварцевого генератора, Выход 1-го. кварцевого генераторасоединен с гетеродинным входом 1-го смесителя 1 о казала, входом фазовращателяи вторым входом 4-го смесителя, а выходфазовращателя соединен с гетеродиннымвходом 1-го смесителя 2-го канала, сигнальным входом 3-го смесителя 3-го канала и 2-мвходом 5-го смесителя, выход которого соединен с гетеродинными входами 3-х смесителей всех каналов, начинал с третьего,Выход 4-го смесителя соединен с сигналь 5 10 15 20 25 30 35 ными входами вторых смесителей всех каналов.Достоинства базового устройства. сканирование луча в обе стороны от нормали к апертуре ФАР, исключение СВЧ фазовращателей и снижение числа низкочастотных фазосцвигающих элементов до одного, работа и на прием, и на передачу.Недостатки базового устройства: большое число смесителей йс - -(2(йп - 2)+2), где Йп - число излучателей, низкая точность фазирования, обусловленная большим числом полосовых фильтров (нагрузок смесителей) с резонансными частотами 11, 12, 11 - 12, т 1 + +52, 21-Г 2 и т,д.При малейшем уходе частоты настройки любого из фильтров от требуемого значения появляется дополнительный фазовый сдвиг сигнала на выходе соответствующего смесителя, что объясняется следующим образом. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) фильтра имеет колоколообразную форму, а фазочастотная характеристика (ФЧХ) представляется в виде зависимости р=-агс 1 ц , где ф- обобщенная расстройка фильтра. Для простейшего фильтра она равна: ф = 206 1/Гр, где 0 - добротность, 1 - абсолютная расстройка; 1 Р - резонансная частота фильтра.Получаемые дополнительные изменения фазы и амплитуды возрастают с ростом крутизны ФЧХ и уменьшением полосы пропускания при той же расстройке фильтра, В целом суммарная погрешность установки фазы на выходе 1-.го смесителя в канале равна: 2дР = дфп-дРп - 1Р" Рд - 1,1) +дРс +др где и - номер канала; 1 - номер смесителя; 4 с, 5 с - 4-й и 5-й смесители устройства Таким образом, общим для всех известных устройств управления положением луча ФАР недостатком является низкая точностьфазирования. Цель изобретения - повышение точности фэзирования. Положительный эффект заявляемого устройства сОстоит в повышении точности фазирования и, следовательно, точности установки луча ФАР в требуемое направление, что особенно важно для ФАР с узким (в несколько градусов) главным лепестком диаграммы направленности, 1758735510 15 20 25 30 35 40 45 50 Дополнительный положительный эффект заключается в существенном упрощении устройства в целом,Устройство содержит блок управления,кварцевый генератор, И каналов, каждый изкоторых состоит из последовательно соединенных излучателя ФАР и смесителя.Для достижения цели в него введены:последовательно соединенные формирователь линейно-нарастающего напряжения(ФЛНН) и первый формирователь прямоугольных импульсов (ФПИ), вход которогоподключен к выходу кварцевого генератора(КГ); последовательно соединенные управляемый усилитель постоянного тока (УПТ) иделитель напряжения (ДН), второй вход которого подключен ко второму выходууправляемого УПТ, управляющий вход которогоподключен к выходу блока управления. Вкаждый канал введены последовательно соединенные компаратор, второй ФПИ преобразователь импульсов в синусоидальноенапряжение (ПИСН). выход которого соединен с гетеродинным входом смесителя, Выходы делителя напряжения соединены спервым входом соответствующего компаратора, второй вход которого подключен к выходу ФЛНН. Третий вход компаратораявляется пороговым. При этом делитель напряжения выполнен в виде последовательной цепочки резисторов,На фиг. 1 представлена структурнаясхема устройства управления положениемлуча ФАР (для описания и БИ); на фиг. 2 -вариант конкретного выполнения делителянапряжения; на фиг, 3 - изменения амплитудно-фазового распределения; на фиг, 4 -эпюры сигналов на выходах основных элементов устройства,Устройство содержит блок 4 управления, кварцевый генератор 5, й каналов 1,каждый из которых состоит иэ последовательно соединенных излучателя 3 ФАР,смесителя 2, компаратора 11, второго формирователя 12 прямоугольных импульсов,.преобразователя 13 импульсов в синусоидальное напряжение, сумматор 6 мощности, последовательно соединенныеформирователь 9 линейно-нарастающегонапряжения и первый формирователь 8прямоугольных импульсов, последовательно соединенные управляемый усилитель 7постоянного тока и делитель 10 напрякения, а также соответствующие связи междуэлементами устройства.Устройство управления положением луча ФАР работает следующим образом,В режиме приема сигнал принимаетсяизлучателями 3, причем фазовые сдвигимежду токами в каждой паре соседних излучателей 3 определяются направлением прихода сигнала. От излучателя 3 парциальные сигналы в каждом канале 1 поступают на смеситель 2, в котором частота сигнала (колебаний) понижается до промежуточной 1 пр, а затем мощности парциальных сигналов суммируются в сумматоре 6 мощности с учетом фазовых сдвигов. На гетеродинные входы всех смесителей 2 поступают синусоидальные напряжения с одинаковой частотой и с прогрессивно нарастающей фазой от излучателя к излучателю(разность фаз между соседними излучателями равна Лр, 30 на фиг, 4),Величина Л р устанавливается в эависимости от направления приема сигнала покоманде с блока 4 управления,Рассмотрим процесс формированиятребуемых фазовых сдвигов.Тактовые высокостабильные колебания. 25 с периодом То подаются с кварцевого генератора 5 на вход первого ФПИ 8, где преобразуются в импульсы длительностью = То. Полученные импульсы в ФЛНН 9 преобразуются в линейно-нарастающее напряжение 28, подаваемое на вторые входы компараторов 11 всех каналов,В отсутствие управляющего сигнала на выходе блока 4 управления напряжение на входах делителя 10 напряжения (в силу симметричности выходов управляемого УПТ 7) равно нулю. Ток в делителе 10 напряжения в этом случае отсутствует, и парциальные напряжения на выходах делителя 10 напряжения равны нулю. На все компараторы 11 действуют одинаковые напряжения: сумма линейно-нарастающего 28 и порогового 27. Момент переброса компаратора 11 из состояния "0" в состояние "1" в каждый период тактовых колебаний во всех каналах имеет одинаковый сдвиг от начала периода:то = То 2. На выходах всех вторых формирователей 12 прямоугольных импульсов формируются последовательности импульсов 29 с одинаковым сдвигом т, по отношению к тактовым колебаниям 25 кварцевого генератора 5, Таким образом, синусоидальные колебания 30 с выходов ПИСН 13 поступают на гетеродинные входы смесителей 2 с одинаковыми фазами. При подаче управляющего сигнала с выхода блока 4 управления на вход управляемого УПТ 7 в делителе 10 напряжения появляется ток, направление которого зависит от знака управляющего сигнала, Этот ток в каждом элементе делителя 10 напряжения создает одинаковые паоциальные напряжения Л Оупен 26, которые поступают5 10 15 альные напряжения 20 25 30 35 45 50 55 на первые входы компараторов 11, симметрично относительно центрального канала, на первом входе компаратора 11 которого потенциал не меняется,Допустим, что ток в делителе 10 напряжения протекает слева направо, Тогда парциальные напряжения на выходах делителя 10 относительно центрального будут равны;2 Ь Оупр, Ь Оупр, О, - Ь Оупр, -2 Ь ОупрОтличия в полученных парциальных напряжениях, суммирующихся с пороговым 27 и с линейно-Нарастающим 28 напряжениями; приводят к изменениям задержки моментов переброса канальных компараторов 11 из одного состояния в другое. Эти задержки дпя приведенного примера соответственно равны: 2 х, х, О, х,-2 х . В результате синусоидальные напряжения 30 на выходах ПИСН 13 в каналах 1 будут иметь фазовые сдвиги, соответственно 2 Ьр= 2 х в; Ьр = =х и; 0;- Ьр =-х а;-2 Ьр =-.2 х а,При изменении величины тока в делителе 10 напряжения изменяются пропорционально и величины фазовых сдвигов,Управление значениями Ь Оупр и, следовательно, задержками и фазовыми сдвигами Ьр возможно аналоговым и цифровым способами.Работа устройства в режиме передачи осуществляется аналогично, рассмотренной, Отличие состоит в том, что сумматор 6 мощности в этом случае превращается о делитель мощности, а смеситель 2 не понижает, а увеличивает напр+ жгет) частоту.Все элементы устройства являются стандартными.Существенным элементом в предлагаемом устройстве для достижения поставленной цели является делитель 10 напряжения, создающий парциальные управляющие напряжения Оупр, пропорциональные величине приращения Ь Оупр, с коэффициентом пропорциональности, равном номеру каналаДелитель 10 напряжения, вариант конкретного выполнения которого представлен на фиг, 2, содержит последовательно соединенные основные резисторы 14, каждый из которых запараллелен корректирующим резистором 15, конденсаторы 16 защиты делителя 10 напряжения от высокочастотных помех.Делитель 10 напряжения работает следующим образом, При отсутствии на входе управляемого УПТ 7 управляющего сигнала напряжения на симметричных выходах (на фильтрах 17) УПТ 7 равны по величине и противоположны по знаку. Выходное напряжение УПТ 7 в целом равно нулю. Ток о делителе 10 отсутствует. Напряжения на выходах делителя 10 равны нулю. При появлении управляющего сигнала на входе УПТ 7 напряжения на его фильтрах 17 будут отличаться на величину, пропорциональную величине управляющего сигнала, Суммарное напряжение на выходе УПТ 7 будет равно этой величине, Знак полученного напряжения и, следовательно, направление тока о делителе 10 напряжения зависят от того, на каком из фильтров 17 напряжение имеет большую оеличину. Ток в делителе 10 напряжения создает о резисторах 14 и 15 парциВсе выходы, в том числе и центральный выход "0", делителя 10 изолированы от "корпуса", Напряжения с резисторов делителя 10 подаются на первые входы компаратора 11 в каналах относительно центрального выхода делителя 10. Центральный выход его подключен к первому входу компаратора 11 центрального канала 1.Таким образом, на первые входы компараторов 11 относительно центрального канала 1 подаются парциальные напряжения + п Ь Оупр, где и - номер канала относительно центрального с учетом знака.Резисторы 15 включены в делитель 10 напряжения с целью коррекции(выравнивания) значений сопротивлений основных резисторов 14. Конденсаторы 16 предназначены для защиты делителя 10 напряжения от высокочастотных помех, наличие которых может привести к ошибкамфазирования. Формула изобретенияУстройство управления положением луча фазирования антенной решетки (ФАР), содержащее блок управления, кварцевый генератор, И каналов,. каждый из которых состоит из последовательно соединенных излучателя ФАР и смесителя, выход которого соединен с соответствующим входом сумматора мощности, выход которого является выходом ФАР, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с цепью повышения точности фаэирооания, . введены последовательно соединенные формирователь линейно нарастающего напряжения и первый формирователь прямоугольных импульсов, вход которого подключен к выходу кварцевого генератора, последовательно соединенные управляемый усилитель постоянного тока и делитель напряжения, второй вход которого подключен к второму оыходу управляемого усилителя постоянного тока, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления, а о каждый канал введены последооательно соединенные компаратор, второйформирователь прямоугольных импульсов и преобразователь импульсов в синусоидальное напряжение, выход которого соединен с гетеродинным входом смесителя, причем выходы делителя напряжения соединены с 5 первым входом соответствующего компаратора, второй вход которого подключен к выходу формирователя линейно нарастающего напряжения, а третий вход компаратора является пороговым, при этом делитель напряжения выполнен в виде последовательной цепочки резисторов.1758735 ь Составитель В.МорозовТехред М.Моргентал ректор А.Мотыль Редактор М.Циткин ри ГКНТ ССС роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 аз 3005 ТиражВНИИПИ Государственного комитета по изоб113035, Москва, Ж, Ра Подписноетениям и открытия кая наб., 4/5