Облегченная система с активной фазированной антенной решеткой с пространственным возбуждением

Облегченная система с активной фазированной антенной решеткой с пространственным возбуждением

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Уровень техники

Главное преимущество фазированных антенных решеток состоит в их способности электронного управления лучом, исключающей необходимость в механическом указании и совмещении. Другая выгода состоит в том, что управление лучом можно выполнять быстро, что позволяет отслеживать быстро перемещающиеся цели и отслеживать множество целей. Быстрое управление лучом облегчает также применения, где антенна находится на подвижной платформе (к примеру, на судне в море), чтобы поддерживать контакт с фиксированным объектом, таким как линии связи или широковещательные спутники.

Обычным применением фазированных антенных решеток является воплощение в радарных системах, особенно в радарных системах с синтезированной апертурой.

Обнаружение и определение дальности с помощью радиоволн, или радары, как общеизвестно, существуют со Второй Мировой войны и используются в широком разнообразии применений. Например, радары используются для отслеживания положения объектов, таких как аэропланы, суда и другие транспортные средства, или для контроля атмосферных условий. Формирующие изображение радары разработаны для построения изображений земли или объектов.

Стандартные радарные системы работают путем передачи высокочастотного сигнала, обычно в виде короткого импульса, к цели. Стандартная радарная система ограничена как в разрешении по дальности, так и в разрешении по азимуту. Разработаны различные методы для преодоления ограничений стандартной радарной системы. Например, для улучшения разрешения по дальности можно использовать такие методы, как сжатие импульсов.

Чтобы улучшить разрешение по азимуту без требования неприемлемо большой антенны, разработан метод радара с синтезированной апертурой. Радары с синтезированной апертурой в настоящее время широко используются как в авиационных, так и в космических (к примеру, аэропланы и спутники) бортовых применениях.

Современные радарные системы с синтезированной апертурой требуют рабочей гибкости путем поддержки формирования изображений по широкому диапазону разрешений и ширин полосы изображения. Эта рабочая гибкость требует использования системы активной фазированной антенной решетки.

Существующие системы активных фазированных решеток для космических бортовых применений страдают от нескольких ограничений, которые препятствуют их более широкому использованию. Антенны относительно большие, порядка 10-20 метров в длину и 1-2 метра в ширину. Чтобы сохранять качество луча и поддерживать его стабильным, требуется, чтобы сама антенна была жесткой и чтобы она имела жесткую опору для поддержания антенны плоской в требуемых допусках. Это приводит к антенне с большой массой и требует опорных ферм или иных механических средств для обеспечения требуемой жесткости при разворачивании.

Размер антенны, в общем, запрещает запуск антенн в их рабочей конфигурации, т.к. она слишком велика для размещения в доступном объеме полезной нагрузки ракеты-носителя. Антенну нужно сложить и уложить для запуска, а затем развернуть на орбите. Сложные и дорогостоящие механизмы для развертывания антенны и удержания ее жесткой при развертывании должны специально проектироваться. Могут также проектироваться и конструироваться механизмы специального назначения для того, чтобы безопасно удерживать антенные панели в уложенном состоянии во время запуска и гарантировать, что антенна не повреждена нагрузками, испытываемыми во время запуска. Большая масса антенны делает задачу ее укладки и развертывания намного сложнее.

Элементы активной фазированной решетки требуют сложного набора межсоединений между основной шинной структурой и антенными элементами. Соединения необходимы для запитки, управления, контроля и распределения высокочастотных сигналов как на передачу, так и на прием. Требуются сложные устройства и межсоединения для формирования диаграммы направленности по азимуту и углу места. Эти межсоединения далее добавляют общую массу, сложность и стоимость антенны. Помимо этого, межсоединения могут быть сделаны для мостовых соединений шарниров между панелями антенны, добавляя сложность изготовления и стоимость и снижая общую надежность.

Космический аппарат RADARSAT-2 является примером существующей радарной системы с синтезированной апертурой, использующей антенну с активной фазированной решеткой. Антенна в этом случае имеет длину 15 метров и ширину 1,5 метра. Она состоит из двух крыльев, содержащих каждое 2 панели, и каждая панель составляет приблизительно 3,75 метра в длину и 1,5 метра в ширину. Каждая панель содержит 4 столбца, а каждый столбец содержит 32 приемопередающих модулей, каждый из которых имеет относящуюся к нему субрешетку с 20 излучающими элементами. Всего в этой антенне используются 512 приемопередающих модулей. Общая масса антенны составляет приблизительно 785 кг. Раздвижная опорная структура, требуемая для развертывания антенных панелей и их поддержания на месте, имеет массу приблизительно 120 кг. Механизмы, используемые для удержания антенны сложенной, а затем ее освобождения для развертывания, добавляют к массе приблизительно 120 кг. Требуемая для антенны полная масса составляет приблизительно 1025 кг. Эта большая масса в свою очередь побуждает к конструированию шинной структуры космического аппарата и системы ориентации, в результате чего получается более крупный и более тяжелый космический аппарат.

Большая масса и сложная конструкция означают, что полная стоимость разработки, построения и запуска этого класса космических аппаратов высока. Это ограничивает использование данной технологии до специализированных приложений и ограничивает число космических аппаратов, которые можно запускать, снижая частоту наблюдения и ограничивая рабочие задания, которые можно поддерживать.

Краткое описание чертежей

На чертежах тесно связанные фигуры имеют один и тот же номер, но разные буквенные индексы.

Фиг.1 - общий вид одной конфигурации космического аппарата.

Фиг.2А - блок-схема антенной системы.

Фиг.2В - временная диаграмма для антенной системы.

Фиг.3 - блок-схема активного антенного узла.

Фиг.4 - блок-схема функций высокочастотной схемы, содержащейся в активном антенном узле.

Фиг.5А - задняя сторона одной антенной панели.

Фиг.5В - подробный вид части задней стороны антенной панели.

Фиг.5С - подробный вид при взгляде с торца части задней стороны антенной панели.

Фиг.5D - подробный вид части передней (излучающей) стороны антенной панели.

Фиг.6А - вид с вырезом части передней стороны антенной панели.

Фиг.6В - вид в разрезе через часть антенной панели.

Фиг.7 - цели, используемые для системы геометрической компенсации и оптические тракты в несущем отсеке для сбора изображений.

Фиг.8А - подробный вид головной части стрелы, на которой установлена освещаемая цель.

Фиг.8В - размещение освещаемых целей на двух антенных панелях.

Фиг.8С - детали одной из целей.

Фиг.9 - вид одного крыла, показывающего местоположение целей на антенных панелях. Вид, наблюдаемый системой получения изображений (внизу чертежа) и размещение целей, так что ближние цели не загораживают более удаленные цели.

Фиг.10 - компоненты системы геометрической компенсации. Геометрическая компенсация используется для регулировки фазовых установок антенных элементов, чтобы скомпенсировать механические искажения в антенне.

Фиг.11А - космический аппарат с антенными панелями и стрелой, сложенными для запуска.

Фиг.11В - космический аппарат в процессе развертывания одного крыла антенны и стрелы.

Фиг.11С - космический аппарат в рабочей конфигурации с развернутыми двумя крыльями и стрелами.

Фиг.12А - альтернативная конфигурация несущего отсека.

Фиг.12В - другая альтернативная конфигурация несущего отсека.

Фиг.12С - другая альтернативная конфигурация несущего отсека.

Фиг.13 - последовательность операций для активного антенного узла.

Фиг.14 - общая последовательность операций для активной фазированной антенной решетки.

Фиг.15 - временные соотношение между управляющими сигналами активного антенного узла и сигналами, передаваемыми и принимаемыми от активной фазированной антенной решетки.

Фиг.16 - последовательность операций для выполнения геометрической компенсации.

Фиг.17 - блок-схема функций высокочастотной схемы в активном антенном узле для активной фазированной антенной решетки с возможностью обеспечения множества поляризаций.

Ссылочные позиции чертежей

100 - Несущий отсек космического аппарата

105 - Антенная панель

110 - Носовое антенное крыло, состоящее из одной или нескольких антенных панелей (в данном примере показаны четыре панели)

115 - Кормовое антенное крыло, состоящее из одной или нескольких антенных панелей (в данном примере показаны четыре панели)

120 - Излучающая поверхность антенной панели

125 - Задняя поверхность антенной панели

130 - Носовая стрела

135 - Кормовая стрела

140 - Узел стреловой антенны

145 - Солнечная батарея (для обеспечения питания отсека)

150 - Фазированная антенная решетка (состоящая из носового крыла и кормового крыла)

200 - Оборудование, размещенное в несущем отсеке космического аппарата

205 - Системы отсека космического аппарата (питание, управление, обработка данных и т.п.)

210 - Приемник/возбудитель

215 - Стабильный гетеродин

220 - Генератор передаваемых импульсов

225 - Приемник

230 - Блок выделения и декодирования сигнала

235 -Транслированный сигнал стабильного гетеродина

240 - Двунаправленная линия с передаваемыми и принимаемыми сигналами с переносом по частоте

245 - Двухпроводная управляющая шина для шины CAN

250 - Установленная на стреле антенна для распределения передаваемых и принимаемых сигналов

255 - Установленная на стреле антенна для распределения опорной частоты стабильного гетеродина

260 - Управляющая шина

265 - Модулирующий сигнал с линейным изменением по частоте

270 - Антенный контроллер

300 - Активный антенный узел

305 - Узел солнечной батареи антенного узла

310 - Регулятор заряда аккумулятора

315 - Перезаряжаемый аккумулятор

320 - Узел источника питания и переключателя питания

325 - Антенна для приема опорной частоты стабильного гетеродина

330 - Узел обработки опорной частоты

335 - Антенна для передаваемого/принимаемого сигнала

340 - Узел передатчика

345 - Узел приемника

350 - Субрешетка

355 - Контроллер антенного узла

360 - Микроконтроллер

365 - Средство цифроаналогового преобразования

370 - Сигналы управления фазой

375 - Сигнал управления усилением на передачу

380 - Сигнал управления усилением на прием

385 - Передаваемые и принимаемые сигналы из антенны

400 - Устройство маршрутизации сигналов (к примеру, циркулятор, переключатель, ответвитель и т.п.)

405 - Усилитель с переменным коэффициентом усиления

410 - Смеситель

415 - Мощный усилитель

420 - Устройство маршрутизации сигналов (к примеру, циркулятор, переключатель, ответвитель и т.п.)

425 - Малошумящий усилитель

430 - Смеситель

435 - Усилитель с переменным коэффициентом усиления

440 - Малошумящий усилитель

445 - Удвоитель частоты

450 - Прямой модулятор

455 - Делитель мощности

460 - Опорная частота со сдвинутой фазой

500 - Модуль узловой электроники

505 - Батарея солнечных элементов

510 - Волноводные щели

600 - Радиопрозрачный материал (к примеру, кварцевые соты)

605 - Панельная структура

610 - Скрепленный алюминиевый лист (передняя поверхность антенной панели)

615 - Волноводный возбудитель для ввода сигнала в волновод

700 - Местоположение оптического узла и блока обработки изображений

705 - Оптический тракт для изображений антенных крыльев

710 - Оптический тракт для изображений стрел

715 - Освещенные цели на антенных панелях (указаны не все цели)

720 - Освещенная цель на носовой стреле

725 - Освещенная цель на кормовой стреле

800 - Примерная освещенная цель на антенной панели

1000 - Оптический узел

1005 - Апертуры для носового и кормового крыльев и носовой и кормовой стрел

1010 - Изображение носового и кормового крыльев и носовой и кормовой стрел

1015 - Объединенное изображение

1020 - Твердотельная матрица получения изображений

1025 - Блок обработки изображений

1030 - Контроллеры освещения целей носового крыла

1035 - Контроллеры освещения целей кормового крыла

1040 - Контроллер освещения цели носовой стрелы

1045 - Контроллер освещения цели кормовой стрелы

1050 - Управляющие сигналы освещения крыла

1055 - Управляющие сигналы освещения стрелы

1060 - Интерфейс к антенному контроллеру

1100 - Головной обтекатель ракеты-носителя

1200 - Несущий отсек космического аппарата (альтернатива 1)

1205 - Батарея солнечных ячеек для питания отсека (альтернатива 1)

1210 - Несущий отсек космического аппарата (альтернатива 2)

1215 - Батарея солнечных ячеек для питания отсека (альтернатива 2)

1220 - Несущий отсек космического аппарата (альтернатива 3)

1225 - Батарея солнечных ячеек для питания отсека (альтернатива 3)

1230 - Узел развертываемой стрелы

1400 - Синхронизирующее и управляющее сообщение шины CAN

1405 - Разрешение режима передачи активного антенного узла

1410 - Разрешение режима приема активного антенного узла

1700 - Антенна

1702 - Устройство маршрутизации сигналов (к примеру, циркулятор, переключатель, ответвитель и т.п.)

1704 - Усилитель с переменным коэффициентом усиления

1706 - Смеситель

1708 - Делитель мощности

1710 - Мощный усилитель (горизонтальная поляризация)

1712 - Мощный усилитель (горизонтальная поляризация)

1714 - Устройство маршрутизации сигналов (к примеру, циркулятор, переключатель, ответвитель и т.п.)

1716 - Узел запитки горизонтальной поляризации

1718 - Узел запитки вертикальной поляризации

1720 - Субрешетка

1722 - Малошумящий усилитель

1724 - Смеситель

1726 - Усилитель с переменным коэффициентом усиления

1728 - Устройство маршрутизации сигналов (к примеру, циркулятор, переключатель, ответвитель и т.п.)

1730 - Малошумящий усилитель

1732 - Смеситель

1734 - Усилитель с переменным коэффициентом усиления

1736 - Антенна

1738 - Антенна

1740 - Малошумящий усилитель

1742 - Делитель мощности

1744 - Удвоитель частоты

1746 - Прямой модулятор

1748 - Прямой модулятор

1750 - Делитель мощности

1752 - Сигнал управления фазой

1754 - Сигнал управления фазой

1756 - Опорная частота со сдвинутой фазой (передатчик)

1758 - Опорная частота со сдвинутой фазой (горизонтальная поляризация приема)

1760 - Опорная частота со сдвинутой фазой (вертикальная поляризация приема)

1762 - Сигнал выбора поляризации передачи

1764 - Сигнал компенсации усиления передачи

1766 - Сигнал управления усилением приема (горизонтальная поляризация)

1768 - Сигнал управления усилением приема (вертикальная поляризация)

1770 - Двунаправленная линия с передаваемым и принимаемым сигналами с переносом по частоте

1772 - Однонаправленная линия с принимаемым сигналом с переносом по частоте

Подробное описание

Варианты осуществления изобретения обеспечивают способ и систему для построения находящейся на борту космического летательного аппарата системы с активной фазированной антенной решеткой, которая сохраняет эксплуатационные возможности традиционных систем с фазированными антенными решетками, но с более низкой массой, более низкой сложностью изготовления, а следовательно, более низкой общей стоимостью полета. Пространственная запитка распределяет сигналы к активным антенным узлам, причем активные антенные узлы содержат локальное средство генерирования и хранения электроэнергии, технологию построения, производящую антенные панели малого веса, а система компенсации измеряет и компенсирует искажения в геометрии антенны.

Теперь будут описаны различные варианты осуществления изобретения. Нижеследующее описание обеспечивает конкретные подробности для досконального понимания и восприятия описания этих вариантов осуществления. Специалист поймет, однако, что изобретение может быть осуществлено без многих из этих подробностей. Помимо этого, некоторые общеизвестные структуры или функции могут быть не показаны и не описаны подробно, чтобы избежать чрезмерного затемнения соответствующего описания разнообразных вариантов осуществления.

Используемая в представленном ниже описании терминология предполагает интерпретацию в наиболее широком виде, даже хотя она используется вместе с подробным описанием некоторых конкретных вариантов осуществления изобретения. Некоторые термины могут быть даже подчеркнуты ниже; однако любая терминология, предназначенная для интерпретации каким-либо ограничительным образом, будет явно и конкретно определена как таковая в данном разделе подробного описания.

Фиг.1 показывает конфигурацию космического аппарата, использующего систему с активной фазированной антенной решеткой малого веса с пространственной запиткой. Фазированная антенная решетка 150 состоит из множества антенных панелей 105. Каждая панель имеет переднюю поверхность, называемую излучающей поверхностью 120 для передачи сигнала к цели и приема обратного сигнала, отраженного от цели. Задняя поверхность 125 каждой панели содержит множество активных антенных узлов 300, которые образуют активную фазированную решетку.

Антенные панели 105 размещены в двух группах, которые будут именоваться крыльями. Ведущее крыло 110 относительно направления полета космического аппарата называется носовым крылом. Другое крыло 115 называется кормовым крылом.

Подлежащий передаче сигнал с переносом по частоте распределяется к активным антенным узлам носового крыла через схему пространственной запитки, использующую антенну 250, содержащуюся в узле 140 стреловой антенны, установленном на развертываемой стреле 130. Сигнал для кормового крыла распределяется с помощью другого узла 140 стреловой антенны на аналогичной развертываемой стреле 135. Антенны, расположенные на этих двух узлах стреловой антенны, тоже принимают сигналы с переносом по частоте, переданные из активных антенных узлов. Принятый сигнал с переносом по частоте содержит обратный сигнал от цели, принятый на излучающей поверхности фазированной антенной решетки.

Каждый узел 140 стреловой антенны содержит также вторую антенну 255. Эта вторая антенна используется для трансляции стабильной опорной частоты к каждому из активных антенных узлов.

В показанных вариантах осуществления антенны 250 и 255 представляют собой мозаичные антенны, однако и иные типы антенны тоже можно использовать.

Несущий отсек 100 обеспечивает механическую опору для системы активной фазированной антенной решетки. Отсек содержит внутри себя системы, обычно находящиеся на большинстве космических аппаратов, для выполнения функций, включая связь, управление ориентацией, контроль и управление космическим аппаратом, тепловой контроль, обработку данных, тяговую установку и т.п. Солнечные батареи 145, установленные на обращенных к солнцу поверхностях несущего отсека, обеспечивают электроэнергией все части космического аппарата за исключением активных антенных узлов 300, которые могут обеспечиваться собственной электроэнергией.

Блок-схема на фиг.2А показывает главные компоненты системы активной фазированной антенной решетки и как они взаимодействуют между собой. Для простоты показана только одна антенная панель единственного крыла. Остальные антенные панели аналогичны по конструкции и работе.

Приемник/возбудитель 210 находится в несущем отсеке 100. Этот приемник/ возбудитель генерирует опорную частоту и модулированные передаваемые сигналы, применяемые для радарного приложения. Приемник/возбудитель также принимает обратный сигнал от панели и обеспечивает функции выделения и декодирования сигнала для оцифровки и форматирования данных принятого сигнала.

Приемник/возбудитель взаимодействует с системами 205 отсека космического аппарата для работы и для переноса принятых данных. Антенный контроллер 270 в приемнике/возбудителе соединен с процессором отсека космического аппарата по управляющей шине 260, чтобы обеспечить управление и контроль антенной системы. Для управляющей шины нет специальных требований, и она может быть воплощена с помощью любой из доступных технологий, таких как MIL STD 1553 В или Шина CAN.

Антенный контроллер 270 обеспечивает управление и контроль всех блоков в приемнике/возбудителе и активных антенных узлах 300.

Стабильный гетеродин 215 генерирует стабильную немодулированную опорную частоту. Эта опорная частота локально передается к генератору 220 передаваемых импульсов и приемнику 225, а также транслируется ко всем активным антенным узлам 300 с помощью антенны 255 в узлах 140 стреловой антенны. Используется единственный стабильный гетеродин для возбуждения обоих узлов стреловой антенны через простой делитель мощности.

Генератор 220 передаваемых импульсов вырабатывает колебание передаваемого импульса. Для радарных систем это обычно импульс с линейной частотной модуляцией, обычно известный как импульс с ЛЧМ. Способы генерирования этого типа импульса общеизвестны из уровня техники.

Импульс с ЛЧМ передается 240 из узла 140 стреловой антенны ко всем активным антенным узлам 300 в соответствующем крыле. В каждом активном антенном узле импульс с ЛЧМ принимается, преобразуется на рабочую частоту антенны, регулируется по фазе и амплитуде, усиливается и передается из излучающей поверхности антенны.

Активные антенные узлы 300 принимают обратный сигнал от цели и переизлучают этот сигнал так, чтобы он мог быть принят антенной 250 на узле 140 стреловой антенны.

Чтобы избежать интерференции с другими сигналами, импульс с ЛЧМ и принятые сигналы, переданные с помощью пространственной запитки, преобразуются на отдельную несущую частоту согласно заданному частотному плану, чтобы получить варианты исходных сигналов с переносом по частоте. В качестве примера, частотный план для типичного поисково-спасательного (SAR) применения был бы следующим: рабочая частота SAR равна 5,400 ГГц (С-диапазон), частота стабильного гетеродина равна 2,400 ГГц и несущая частота для передаваемого импульса 240 с ЛЧМ с переносом по частоте и принимаемых сигналов 240 равна 10,200 ГГц (Х-диапазон). Нижеследующее описание предполагает этот примерный частотный план.

Фиг.2В показывает пример временных соотношений между различными сигналами. Опорная частота стабильного гетеродина непрерывно транслируется 235 к каждому активному антенному узлу. Генератор 220 передаваемых импульсов генерирует модулирующий сигнал 265 с линейным изменением по частоте и модулированный сигнал с ЛЧМ в Х-диапазоне, который также транслируется 240 ко всем активным антенным узлам. В активном антенном узле сигнал с ЛЧМ в Х-диапазоне преобразуется в С-диапазон и регулируется по фазе перед передачей 385 к цели. Обратный сигнал 385 от цели регулируется по фазе и коэффициенту усиления и преобразуется из С-диапазона в X-диапазон и передается 240 к приемнику 225. Регулировки 375 и 380 усиления используются для компенсации разностей трактов пространственной запитки. Регулировка 380 усиления также обеспечивает аподизацию апертуры антенны.

Приемник 225 принимает преобразованный транслированный сигнал 240, демодулирует его и направляет модулирующий сигнал к блоку 230 выделения и кодирования сигналов. Сигнал оцифровывается, кодируется и форматируется, и результирующие цифровые данные переносятся в системы 205 отсека космического аппарата для обработки, хранения и (или) передачи на наземный приемный терминал.

Фазированная антенная решетка 150 состоит из множества антенных панелей 105. Каждая антенная панель содержит множество активных антенных узлов 300, установленных на задней поверхности 125 панели. В качестве примера, активная фазированная антенная решетка для радарного приложения с синтезированной апертурой будет содержать порядка 8 антенных панелей, а каждая панель содержит порядка 64 активных антенных узлов, всего 512 активных антенных узлов.

Фиг.3 показывает блок-схему активного антенного узла 300. Активный антенный узел содержит собственное средство генерирования и хранения электроэнергии, чтобы обеспечить питание для всех своих компонентов. Для обеспечения генерирования электроэнергии на задней поверхности антенной панели 125 установлена батарея 305 солнечных ячеек. При нормальной работе излучающая поверхность антенной панели 120 будет направлена на землю под углом по меньшей мере 30 градусов от надира. При такой ориентации космического аппарата батареи солнечных ячеек на задней поверхности антенных панелей будут обращены к солнцу, когда космический аппарат размещается на соответствующей орбите, такой как солнечно-синхронная орбита для полетов на рассвете и в сумерках. Космический аппарат может поворачиваться для лучшей ориентации солнечных батарей к солнцу для более эффективного генерирования электроэнергии солнцем и заряда аккумуляторов. Это может происходить в периоды, которые не требуют работы антенной системы, такие как интервалы, когда не запрашивается получение изображений SAR.

Регулятор 310 заряда аккумулятора на интегральной схеме регулирует электроэнергию от батареи 305 солнечных ячеек и заряжает перезаряжаемый аккумулятор 315. Регулируемый источник питания с переключающими схемами 320 обеспечивает электроэнергию для всех прочих компонентов активного антенного узла и обеспечивает элементам активного антенного узла, например передатчику или приемнику, независимое включение или выключение.

Высокочастотные компоненты активного антенного узла состоят из двух антенн 325 и 335, схемы 330 обработки опорной частоты, передающей схемы 340, приемной схемы 345 и субрешетки 350. Работа высокочастотных компонентов активного антенного узла описывается далее при обсуждении фиг.4.

В показанном варианте осуществления антенны 325 и 335 представляют собой мозаичные антенны, однако можно использовать и иные типы антенн.

В показанном варианте осуществления субрешетка 350 представляет собой щелевую волноводную субрешетку, однако можно использовать и иные схемы. Одним примером альтернативного размещения является субрешетка, состоящая из множества мозаичных выпуклых или плоских излучателей, прикрепленных к передней или задней поверхности антенной панели. При прикреплении к задней панели эта панель будет радиопрозрачной; такая альтернатива обеспечит простоту и снизит массу при установке и запитке элементов излучающей субрешетки, обеспечивая в то же время конструктивную опору.

Управление активным антенным узлом можно получить с помощью микроконтроллера или иного программируемого логического элемента, такого как программируемая пользователем вентильная матрица. Показанный вариант осуществления использует микроконтроллер 360, такой как Intel 8051, который включает в себя встроенный интерфейс шины CAN. Двухпроводное соединение 245 интерфейса шины CAN используется для обеспечения управляющих и синхронизирующих сигналов от антенного контроллера 270 к активному антенному узлу и для слежения за состоянием узла. Хотя для этого интерфейса можно использовать вариант осуществления с помощью беспроводного соединения, некоторая проводка может все же потребоваться, чтобы обеспечить проводящие тракты для рассеивания электростатического заряда, который может накапливаться на антенных панелях. Проводная же шина и легче для воплощения, и может использоваться для рассеивания этого электростатического заряда. Микроконтроллер управляет цифроаналоговым преобразователем 365, который вырабатывает аналоговые управляющие сигналы 380, 375, 370, используемые для управления коэффициентом усиления передатчика, коэффициентом усиления приемника и фазой (как передатчика, так и приемника) соответственно.

Фиг.4 показывает ВЧ схему активного антенного узла. Отметим, что в этой схеме опущены фильтры, чтобы упростить ее. На фильтры и их использование нет необычных требований, проект и конструкция хорошо понятны из уровня техники. Антенна 325 принимает транслируемый сигнал 235 стабильного гетеродина. Этот сигнал усиливается малошумящим усилителем 440, а затем удваивается по частоте с помощью удвоителя 445 частоты, хотя может применяться и иная регулировка частоты. Прямой модулятор 450 используется для регулировки фазы сигнала на основе сигнала 370 управления фазой от цифроаналогового преобразователя 365. Отрегулированный по фазе опорный сигнал разделяется с помощью делителя 455 мощности (или переключателя) и отрегулированные по фазе опорные сигналы 460 направляются как к передающей 340, так и к приемной 345 секциям активного антенного узла. Альтернативный вариант осуществления может использовать фазосдвигающее устройство вместо прямого модулятора 450 или два модулятора вместо делителя мощности.

Активный антенный узел принимает сигнал 240 с ЛЧМ с переносом по частоте с помощью антенны 335. Устройство 400 маршрутизации сигнала маршрутизирует этот сигнал к усилителю 405 с переменным коэффициентом усиления, коэффициент усиления которого устанавливается микроконтроллером посредством сигнала 375. Смеситель 410 преобразует сигнал на рабочую частоту радара и регулирует сигнал по фазе, чтобы сформировать луч. Сигнал усиливается с помощью мощного усилителя 415 и направляется к субрешетке 350 через устройство 420 маршрутизации сигнала.

Отраженные от цели сигналы принимаются субрешеткой 350 и направляются в приемную секцию активного антенного узла посредством устройства 420 маршрутизации сигнала. Малошумящий усилитель 425 усиливает сигнал. Смеситель 430 преобразует сигнал с повышением частоты и регулирует фазу сигнала, чтобы сформировать приемный луч. Сигнал усиливается, и его коэффициент усиления регулируется усилителем 435 с переменным коэффициентом усиления, коэффициент усиления которого устанавливается микроконтроллером посредством сигнала 380. Устройство 400 маршрутизации сигнала направляет сигнал к антенне 335 для передачи к приемнику 225 в приемнике/возбудителе 210.

Альтернативный вариант осуществления может использовать кольцевой смеситель с двойной или тройной балансировкой вместо любого или обоих смесителей 410 и 430.

Для повышения отношения сигнал-шум принятых сигналов диаграмма направленности антенны делается более узкой по углу места в режиме приема, что приводит к увеличенному усилению по этой оси. Для поддержания покрытия площади цели диаграмма направленности развертывается по площади цели от ближнего диапазона к дальнему диапазону. Это развертывание синхронизируется для наведения луча по углу места, чтобы принимать сигналы от целей в ближнем диапазоне в начале развертывания, а от цели в дальнем диапазоне в конце развертывания. Микроконтроллер 360 управляет разверткой луча с помощью цифроаналогового преобразующего средства 370 для регулировки фазы принятого сигнала. Этот способ управления лучом в процессе приема поддерживает соотношение сигнал-шум при низкой мощности передачи, позволяя использовать меньше или менее мощные активные антенные узлы, что еще более снижает массу и упрощает конструкцию.

Сигналы активного антенного узла по пространственной запитке должны быть изолированы от сигналов, передаваемых/принимаемых от передней поверхности антенных панелей к/от цели. Такая изоляция требуется для предотвращения связывания сигналов между этими двумя высокочастотными линиями. Описанный выше вариант осуществления использует перенос по частоте для достижения этой изоляции. (Хотя в одном варианте осуществления такая частотная изоляция выполняется в узлах, а не в несущем отсеке 100, альтернативный вариант осуществления может использовать обратное.) Можно также использовать иные методы для достижения этой изоляции или для подавления интерференции между сигналами. Возможные методы могут включать в себя один или комбинацию любых из следующих методов: электромагнитное экранирование, использование сигналов с разной поляризацией, использование методов цифровой обработки сигналов, использование по-разному кодированных каналов с расширенным спектром, использование мультиплексирования во временной области автономно или с локальным хранением сигнала.

Фиг.5А показывает размещение активных антенных узлов на задней поверхности 125 антенной панели 105. Число и размещение активных антенных узлов можно регулировать, чтобы приспособить к нуждам предполагаемого приложения. Показанное размещение является типичным для приложения радара с синтезированной апертурой. Это примерное размещение имеет 64 активных антенных узла на одну антенную панель, размещенных как два столбца из 32 активных антенных узлов на столбец. Возможны и альтернативные размещения, например, шесть панельных антенн с общим числом 384 активных антенных узла и с размерами панелей, регулируемыми для обеспечения желательного размера апертуры.

Фиг.5А показывает также модули 500 узловой электроники и батареи 505 солнечных ячеек для каждого активного антенного узла.

Фиг.5В показывает подробный вид части панели 125 с обозначенными модулем 500 узловой электроники и батареей 505 солнечных ячеек.

Фиг.5С показывает вид с края части антенной панели с излучающей поверхностью 120 и задней поверхностью 125 антенной панели антенны и с модулем 500 узловой электроники.

Фиг.5D показывает излучающую поверхность 120 антенной панели со щелями 510 для видимой щелевой волноводной решетки. Размещение, размер и число щелей зависят от рабочей частоты и эксплуатационных требований для антенны, и средства для определения этих характеристик общеизвестны и документированы в уровне техники.

Фиг.6А показывает с вырывом вид части антенной панели для иллюстрации конструкции щелевой волноводной решетки. Рама 605 антенной панели построена из проводящего материала, такого как алюминий, или непроводящего материала с проводящим покрытием, такого как углеродное волокно, чтобы сформировать структуры для поддержки модулей 500 узловой электроники и образовать полости для щелевых волноводных субрешеток. Для обеспечения поддержки конструкции полость щелевой волноводной субрешетки можно заполнить радиопрозрачным материалом 600, таким как кварцевые соты. Материал кварцевых сот коммерчески доступен для космических приложений. Можно также использовать и иные радиопрозрачные материалы.

Фиг.6В показывает разрез по всей антенной панели. Деталь «В» показывает конструкцию панели с рамой 605 антенной панели и радиопрозрачным материалом 600. Алюминиевый лист или лист 610 из углеродного волокна с проводящим покрытием со щелями 510 прикреплен к раме антенны и радиопрозрачному материалу с помощью проводящего клея, формируя излучающую поверхность антенны и обеспечивая прочность конструкции. Деталь «А» показывает часть модуля 500 узловой электроники и волноводного возбуждающего элемента 615, используемого для связи ВЧ-сигналов между электронным модулем и щелевой волноводной субрешеткой.

Существующие активные фазированные антенные решетки, такие как используемая для программы RADARSAT-2, имеют массу порядка 45 кг на м². Комбинация конструктивных антенных панелей, как описано, и исключение жгутов электропроводки для распределения питания и ВЧ-сигналов дает активную фазированную антенную решетку с массой порядка 5 кг на м². Значительное снижение массы делает возможным использование технологии, разработанной в космической индустрии для развертывания больших солнечных панелей для космических аппаратов. Эту технологию можно легко приспособить для поддержки и развертывания активной фазированной антенной решетки. Эта технология является недорогим, наиболее надежным путем развертывания больших апертур. Многие компании успешно построили и развернули большие солнечные панели, и использованные методы полностью проверены и установлены.

В конструкции и работе антенны применяется компенсация для эффектов, вносимых размещением пространственной запитки. Один эффект имеет место вследствие неравномерной диаграммы направленности из антенн на стрелах и активных антенных узлов. Другим эффектом является изменение усиления и фазы из-за разностей в длинах трактов от узлов 140 антенн с пространственной запиткой и активных ант