RU2811672C1 - Двухканальный антенный приемо-передающий модуль активной фазированной антенной решетки - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, а именно к приемо-передающим модулям активных фазированных антенных решеток (АФАР), и служит для использования в радиолокационных станциях, системах связи и радиопротиводействия. Технический результат - расширение функциональных возможностей в части геометрических характеристик антенной решетки. Результат достигается тем, что предложен двухканальный антенный приемо-передающий модуль АФАР, состоящий из послойно расположенных основания с функцией теплопередачи, платы СВЧ с расположенными на ней электронными компонентами каждого канала, соединительно-разделительной рамки, состоящей из герметично соединенных четырех секций, и антенного излучателя, причем каждые две соседние секции рамки вмещают в себя элементы одного из приемо-передающих каналов модуля, в рамке выполнены отверстия для СВЧ-разъемов питания антенного излучателя, приемо-передающие каналы объединены на один вход/выход, введен детектор выходной мощности, расположенный на диэлектрической плате СВЧ, выход которого соединён с компаратором напряжения, в основании модуля выполнены отверстия для СВЧ-разъема и разъемов управления и питания. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Область применения

Изобретение относится к электронной технике сверхвысоких частот (СВЧ), а именно, к приемопередающим модулям активной фазированной антенной решетки, и предназначено для использования в радиолокационных станциях, системах связи и системах радиопротиводействия.

Уровень техники

Известен четырехканальный двухдиапазонный модуль активной фазированной антенной решетки (АФАР) (патент RU155263, опубл. 27.09.2015, МПК H01Q 21/00), включающий четыре независимых приемо-передающих канала и общий для них блок питания и управления, при этом СВЧ-узлы приемо-передающих каналов образуют конструкцию с зеркальной симметрией относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось модуля. Все приемо-передающие каналы имеют двухуровневую компоновку своих СВЧ-узлов, при этом первые уровни каналов содержат СВЧ-узлы первого диапазона частот, размещенные в ячейках, выполненных в корпусе модуля, а вторые уровни каналов содержат СВЧ-узлы второго диапазона частот, размещенные на отдельных для каждого канала пластинах-основаниях, установленных над ячейками, кроме этого блок питания и управления выполнен одной сборочной единицей и расположен в центральной части модуля.

Недостатки известного модуля заключаются в ограниченных функциональных возможностях, а именно, невозможности применения данного устройства в гексагональных АФАР с малым размером шага, сравнимым с 17 мм.

Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению является приемопередающий модуль (ППМ) АФАР (патент RU2657336 опубл. 13.06.1018, МПК H01Q 21/00), содержащий, по меньшей мере, четыре одноканальных модуля, каждый из которых содержит последовательно соединенные защитное устройство и малошумящий усилитель приемного канала, выходной усилитель мощности передающего канала, два переключателя прием/передача, двунаправленный фазовращатель, схему управления, элементы электрической связи и питания, два вывода - первый и второй, при этом упомянутые электронные компоненты каждого из четырех одноканальных модулей выполнены в виде, по меньшей мере, трех фрагментов, каждый из заданных разных по составу электронных компонентов на отдельной диэлектрической подложке, при этом упомянутые фрагменты с одинаковыми электронными компонентами расположены на одном из, по меньшей мере, трех уровней - первом, втором, третьем соответственно, уровни соединены между собой посредством, по меньшей мере, трех соединительно-разделительных элементов, в каждом из них выполнены четыре полости по центру квадрантов зеркально симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось модуля, конфигурацией повторяющей упомянутый квадрант, при этом на первом уровне выполнены выходной усилитель мощности передающего канала, второй переключатель прием/передача, контакт первого переключателя прием/передача К1 соединен через двунаправленный фазовращатель с первым выводом, его контакт в положении передача К2 - с входом выходного усилителя мощности передающего канала, выход последнего - с контактом второго переключателя прием/передача К2, его контакт К1 - с вторым выводом, контакт второго переключателя прием/передача К3 - с входом защитного устройства, выход последнего - с входом малошумящего усилителя приемного канала, его выход - с контактом первого переключателя прием/передача К3, электрическую связь между электронными компонентами упомянутых фрагментов и каждого уровня обеспечивают элементы связи, при этом приемопередающий модуль имеет корпус, основание, стенки и крышка которого соединены с обеспечением герметичности. При этом отдельные диэлектрические подложки каждого упомянутого фрагмента и каждого уровня выполнены из алмаза, при этом каждый упомянутый фрагмент выполнен на лицевой стороне каждой упомянутой отдельной диэлектрической подложки из алмаза, на обратной ее стороне - металлизационное покрытие, в ее объеме - металлизированные заземляющие отверстия, на первом уровне дополнительно выполнены защитное устройство и малошумящий усилитель приемного канала, на втором - первый переключатель прием/передача, двунаправленный фазовращатель, на третьем - схема управления, элементы электрической связи и питания, а электрическую связь между электронными компонентами упомянутых фрагментов и каждого уровня обеспечивают отрезки экранированной копланарной линии и планарные проводники, соединительно-разделительный элемент каждого уровня выполнен в виде квадратной пластины со стороной, равной длине волны λ, высотой - 2-3 мм, из металла или его сплава, имеющего высокую теплопроводность и обеспечивающего согласованный температурный коэффициент линейного расширения с каждой диэлектрической подложкой из алмаза, при этом который одновременно является основанием каждого уровня, основание первого уровня - основанием корпуса приемопередающего модуля, боковые стенки основания каждого уровня образуют наружную стенку корпуса приемопередающего модуля, а упомянутые четыре полости каждого уровня выполнены на лицевой стороне основания глубиной 1-1,5 мм, толщиной стенки 1,5-2 мм, при этом последние образуют внутренние стенки корпуса соответствующего уровня приемопередающего модуля, в основании второго, третьего уровней и крышки корпуса выполнено центральное отверстие соосно, симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось модуля, и которое заглублено в основание первого уровня на 1-1,5 мм, на лицевой стороне основания каждого уровня выполнены четыре канавки кратчайшим путем по биссектрисе квадранта, проходящей через продольную ось модуля, глубиной и шириной 1-1,5 мм соответственно, обеспечивающие соединение четырех полостей каждого уровня с центральным отверстием для последующей герметизации приемопередающего модуля, обратная сторона основания каждого уровня выполнена плоской, на обратной стороне основания первого уровня выполнен второй вывод для соединения с выводом плоской антенной решетки, крышка корпуса выполнена высотой 1-1,5 мм, соразмерной с основанием корпуса приемопередающего модуля, основание, стенки и крышка приемопередающего модуля соединены между собой герметично по их периметру посредством пайки.

Недостатком известного решения является ограниченные функциональные возможности за счет массогабаритных показателей, а именно, невозможность его использования в составе гексагональных АФАР с шагом решетки, сравнимым с 17 мм.

Сущность изобретения

Техническая задача направлена на создание антенного ППМ АФАР с малыми габаритами, которые позволяют его применять в составе прямоугольных и гексагональных АФАР с шагом решетки от 17 мм до 100 мм.

Техническим результатом предложенного решения является снижение и расширение функциональных возможностей за счет снижения массогабаритных показателей.

Основной технический результат достигается тем, что в двухканальном антенном ППМ АФАР, состоящем из двух приемо-передающих каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенного антенного переключателя, защитного устройства, малошумящего усилителя приемного канала, выходного усилителя мощности передающего канала, векторного модулятора СВЧ сигнала, в состав которого входят двунаправленный фазовращатель и аттенюатор, схемы управления, элементов электрической связи, обеспечивающих соединение между электронными компонентами и компонентами питания, конструкция модуля выполнена на основе послойно расположенных основания, выполняющего функцию теплопередачи, платы СВЧ с расположенными на ней упомянутыми электронными компонентами каждого канала, рамки, выполняющей функцию соединительно-разделительного элемента, и состоящей из секций, соединенных с обеспечением герметичности, согласно предложенному решению, в состав модуля введен антенный излучатель, который расположен поверх рамки, каждые две соседние секции рамки вмещают в себя элементы одного из приемо-передающих каналов модуля, в рамке выполнены отверстия для СВЧ разъемов, предназначенных для питания антенного излучателя, упомянутые электронные компоненты каждого канала модуля выполнены на одном уровне, а именно, на одной печатной плате СВЧ, приемо-передающие каналы объединены на один вход/выход, введен детектор выходной мощности, выполняющий функцию проверки работоспособности модуля, и расположенный на диэлектрической подложке платы СВЧ, выход которого соединён с компаратором напряжения, в основании модуля выполнены отверстия для СВЧ разъема и для разъемов управления и питания.

В частном случае реализации, в двухканальном антенном ППМ АФАР, согласно предложенному решению, приемо-передающие каналы объединены на один вход/выход за счёт использования делителя-сумматора.

В частном случае реализации, в двухканальном антенном ППМ АФАР, согласно предложенному решению, антенный излучатель выполнен в виде многослойной печатной платы.

В частном случае реализации, в двухканальном антенном ППМ АФАР, согласно предложенному решению, рамка состоит из четырех секций.

В частном случае реализации, в двухканальном антенном ППМ АФАР, согласно предложенному решению, разъёмы СВЧ и разъёмы питания и управления выполнены с использованием фторопластового изолятора и позолоченных пружинных контактов.

В частном случае реализации, в двухканальном антенном ППМ АФАР, согласно предложенному решению, основание, стенки и крышка приемопередающего модуля соединены между собой герметично по их периметру посредством пайки.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется рисунками, где представлены: на фиг. 1 – общий вид заявляемого решения в послойном виде;
на фиг. 2 – его вид сверху со стороны основания; на фиг. 3 – его вид сверху со стороны антенного излучателя; на фиг. 4 – измеренный коэффициент усиления от частоты канала модуля в режиме передачи; на фиг. 5 – измеренный коэффициент усиления от частоты канала модуля в режиме приема; на фиг. 6 – измеренная выходная импульсная мощность канала; на фиг. 7 – измеренный коэффициент шума канала; на фиг. 8 – измеренное амплитудно-фазовое распределение канала; на фиг. 9 – измеренная диаграмма направленности антенного модуля.

Осуществление изобретения

Техническая реализация изобретения с использованием всех заявляемых существенных признаков рассмотрена на конкретном примере выполнения заявляемого ППМ АФАР.

Конструкция модуля состоит из послойно расположенных основания 1, выполняющего функцию теплопередачи, платы 2 СВЧ с расположенными на ней электронными компонентами каждого канала, рамки 3, выполняющей функцию соединительно-разделительного элемента, и состоящей из четырех секций, соединенных с обеспечением герметичности, антенного излучателя 4. Каждые две соседние секции рамки 3 вмещают в себя элементы одного из приемо-передающих каналов модуля. В рамке 3 выполнены отверстия 5 для СВЧ разъемов, предназначенных для питания антенного излучателя 4. Приемо-передающие каналы объединены на один вход/выход, а детектор выходной мощности расположен на диэлектрической подложке платы 2 СВЧ, при этом выход его соединён с компаратором напряжения и выполняет функцию проверки работоспособности модуля. В основании 1 модуля выполнены отверстия 6 для СВЧ разъема и для разъемов управления и питания.

Заявляемый модуль приемо-передающий АФАР позволяет создавать антенные решетки произвольной формы:

- по излучающей плоскости: плоские или конформные;

- по форме решетки: прямоугольные, круглые, крестообразные;

- по шагу решетки: прямоугольные или гексагональные.

Работа устройства

Работа заявляемого ППМ АФАР в режиме приема происходит следующим образом. На антенный излучатель 4 из пространства поступает сигнал заданной частоты и мощности, в зависимости от направления фазового фронта поступающего сигнала, он претерпевает ослабление в излучателе 4. Далее через микросхему антенного коммутатора сигнал поступает в защитное устройство платы 2 СВЧ. И если сигнал по мощности не превышает заданного порога, то он поступает в малошумящий усилитель (МШУ) платы 2 СВЧ, в противном случае, отражается на выход антенны. Далее после усиления в МШУ сигнал поступает в векторный модулятор платы 2 СВЧ, где при необходимом фазо-амплитудном распределении у сигнала изменяется амплитуда и фаза, соответственно. В составе векторного модулятора имеются усилители, которые усиливают сигнал. После этого сигнал поступает на сумматор платы 2 СВЧ и суммируется с аналогичным сигналом из соседнего канала. Суммарный сигнал поступает на выход на разъём 6 ППМ.

Работа заявляемого ППМ АФАР в режиме передачи происходит следующим образом. На ППМ через разъём 6 поступает сигнал заданной частоты и мощности, который затем разделяется по мощности пополам на делителе платы 2 СВЧ и каждый из двух сигналов поступает на векторный модулятор платы 2 СВЧ, где у сигнала в зависимости от заданных требований изменяется амплитуда и фаза. В составе векторного модулятора предусилитель усиливает входной сигнал до необходимого уровня мощности. После этого сигнал поступает на выходной усилитель мощности платы 2 СВЧ, где мощность сигнала достигает своего пикового значения. Далее сигнал поступает на антенный коммутатор платы 2 СВЧ, который переключает режимы «прием-передача», после этого сигнал поступает на антенный элемент излучателя 4 и излучается в пространство в заданном направлении и с заданным ослаблением в зависимости от углового распределения или диаграммы направленности.

В процессе работы заявляемого устройства были измерены его основные характеристики, результаты которых приведены на фиг. 4 – фиг. 9, откуда видно, что ППМ обладает достаточным функциональным набором электрических параметров, что позволяет его применять в современных АФАР с требуемыми техническими характеристиками с обеспечением необходимых параметров, предъявляемых к современны средствам радиолокации, радиосвязи и средствам радиопротиводействия.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет создавать на его основе малогабаритные активные антенные фазированные решетки любой формы, обеспечивая требуемые характеристики при работе.

Claims (6)

1. Двухканальный антенный приемо-передающий модуль (ППМ) активной фазированной антенной решетки (АФАР), состоящий из двух приемо-передающих каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенного антенного переключателя, защитного устройства, малошумящего усилителя приемного канала, выходного усилителя мощности передающего канала, векторного модулятора сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала, в состав которого входят двунаправленный фазовращатель и аттенюатор, схемы управления, элементы электрической связи, обеспечивающие соединение между электронными компонентами и компонентами питания, конструкция модуля выполнена на основе послойно расположенных основания, выполняющего функцию теплопередачи, платы СВЧ с расположенными на ней упомянутыми электронными компонентами каждого канала, рамки, выполняющей функцию соединительно-разделительного элемента, и состоящей из секций, соединенных с обеспечением герметичности, отличающийся тем, что в состав модуля введен антенный излучатель, который расположен поверх рамки, каждые две соседние секции рамки вмещают в себя элементы одного из приемо-передающих каналов модуля, в рамке выполнены отверстия для СВЧ-разъемов, предназначенных для питания антенного излучателя, упомянутые электронные компоненты каждого канала модуля выполнены на одном уровне, а именно на одной печатной плате СВЧ, приемо-передающие каналы объединены на один вход/выход, введен детектор выходной мощности, выполняющий функцию проверки работоспособности модуля, и расположенный на диэлектрической подложке платы СВЧ, выход которого соединён с компаратором напряжения, в основании модуля выполнены отверстия для СВЧ-разъема и для разъемов управления и питания.

2. Двухканальный антенный ППМ АФАР по п. 1, отличающийся тем, что приемо-передающие каналы объединены на один вход/выход за счёт использования делителя-сумматора.

3. Двухканальный антенный ППМ АФАР по п. 1, отличающийся тем, что антенный излучатель выполнен в виде многослойной печатной платы.

4. Двухканальный антенный ППМ АФАР по п. 1, отличающийся тем, что рамка состоит из четырех секций.

5. Двухканальный антенный ППМ АФАР по п. 1, отличающийся тем, что разъёмы СВЧ и разъёмы питания и управления выполнены с использованием фторопластового изолятора и позолоченных пружинных контактов.

6. Двухканальный антенный ППМ АФАР по п. 1, отличающийся тем, что основание, стенки и крышка приемо-передающего модуля соединены между собой герметично по их периметру посредством пайки.