Антенная система радиолокационного комплекса
ANTENNA SYSTEM FOR RADAR LOCATOR COMPLEX

Изобретение «Антенная система радиолокационного комплекса» относится к радиолокационной технике и может применяться при разработке антенне [систем современных и перспективных аэродромных и трассовых радиолокационных комплексов (далее РЛК), предназначенных для управления воздушным движением в аэродромной зоне и на воздушных трассах. В состав РЛК входят:
- первичный радиолокатор (ПРЛ), работа которого основана на излучении зондирующих сигналов и приеме сигналов, отражения от корпуса воздушного судна (ВС);
- вторичный радиолокатор (ВРЛ), работа которого основана на излучении специальных кодированных сигналов запроса, приеме и декодировании сигналов ответчиков (транспондеров), размещенных на борту ВС.
Аппаратура ПРЛ и ВРЛ радиолокационного комплекса, как правило, размещается в одном помещении (кузове, контейнере). Радиолокационная информация от ПРЛ и ВРЛ передается потребителям по общим линиям передачи данных.
ПРЛ современных РЛК работают в нижней части L-диапазона (1216-1350 МГц) или в средней части S-диапазона (2700-3100 МГц) частот.
Основным режимом работы современных ВРЛ является режим RBS (Radio Beacon System) с запросом на частоте 1030 МГц и ответом на частоте 1090 МГц. В последнее время в связи с возросшей интенсивностью воздушного движения ВРЛ используют моноимпульсный способ измерения азимута ВС (так называемые моноимпульсные ВРЛ, или МВРЛ) и работают в режиме селективного запроса (режим S) [1, 20, 21], что накладывает ряд дополнительных требований к антеннам вторичной РЛС из состава РЛК в части необходимости формирования трех диаграмм направленности в горизонтальной плоскости: суммарной Σ, разностной Δ и диаграммы подавления боковых лепестков (ПБЛ). Кроме этого, в РФ используется отечественный вторичный канал УВД. Согласно [24], сигнал запроса в УВД излучается на той же несущей частоте 1030 МГц, а сигналы бортовых ответчиков излучаются на частоте 740 МГц. Тип запрашиваемой информации и принадлежность запроса к каналам RBS или УВД кодируется временным интервалом между парой импульсов запроса. Импульс подавления боковых лепестков излучается по диаграмме направленности ПБЛ канала RBS также на частоте 1030 МГц и является общим для каналов RBS и УВД. Из сказанного следует, что если ВРЛ использует только режим RBS, то антенна ВРЛ должна быт однодиапазонной и обеспечивать работу на передачу и прием на частотах 1030 МГц и 1090 МГц [1, 8]. Если же ВРЛ работает в двух режимах (RBS и УВД) одновременно, антенна ВРЛ должна быть двухдиапазонной [2, 10, 18, 19, 20], работающей на передачу и прием в диапазоне частот 1030…1090 МГц, и только на прием на частоте 740 МГц.
Известно множество технических решений в части построения антенных систем эксплуатируемых сегодня РЛК. Большинство АС РЛК состоят из двух самостоятельных антенн ПРЛ и ВРЛ, размещенных на одном общем опорно-поворотном устройстве [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]. При этом большинство разработчиков РЛК предпочитают вариант, при котором диаграммы направленности антенн ПРЛ и ВРЛ по направлению совмещены в пространстве [4, 5, 6, 7, 8]. Такое расположение антенн упрощает объединение данных, полученных от первичного и вторичного каналов РЛК, но значительно увеличивает габариты антенной системы и ветровую нагрузку в связи с возрастанием ее вертикального размера. Однако, встречается и другое размещение антенн РЛК, например в [3, 9]. Такое размещение получило название «спина к спине» или «back-to-back» и отличаются более сложными алгоритмами объединения радиолокационной информации, полученной от ПРЛ и ВРЛ, в силу перемещения ВС в пространстве между моментами его обнаружения первичным и вторичным радиолокаторами. Но проблемы массы и габаритов антенной системы в такой конструкции остаются. Хотя, ветровая нагрузка на антенную систему снижается. У подавляющего большинства РЛК, используемых сегодня для управления воздушным движением в гражданской авиации, антенны ПРЛ зеркальные, а антенны ВРЛ - антенные решетки (АР). Использование АР в антеннах ВРЛ объясняется простотой реализации в них суммарного канала, разностного каналов, канала подавления боковых лепестков и требуемой формы диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.
В [10] представлен РЛК, антенная система которого реализована полностью в одной зеркальной антенне и в одном общем облучателе. Диаграмма направленности ПРЛ и ВРЛ в вертикальной плоскости в такой антенне формируется специальным видом сечения профиля зеркала по вертикали, В горизонтальной плоскости сечение зеркала имеет форму параболы. Канал подавления ВРЛ здесь реализован специальной конструкцией облучателя и дополнительной антенной подавления, ориентированной в заднюю полусферу. Но в [10] не реализован моноимпульсный способ измерения азимута. Поэтому в данном РЛК не может быть реализован режим селективного запроса S.
В патенте [11] также предлагается реализация антенной системы РЛК в одной зеркальной антенне, причем канал ВРЛ здесь моноимпульсный с подавление боковых лепестков диаграммы направленности. Однако большие линейные размеры системы облучателей здесь в значительной мере экранируют апертуру зеркальной антенны и, как следствие, увеличивают уровень боковых лепестков диаграмм направленности ПРЛ и ВРЛ.
Различные варианты реализации совмещенной зеркальной антенны приведены также в патентах [12, 13].
Известны варианты построения антенных систем РЛК в виде нескольких антенных решеток, размещенных на одном общем вращающемся основании [9, 14, 15, 16]. Однако, чаще такими антенными системами комплектуются изделия военного назначения, а результатом объединения антенн в единую систему является громоздкая конструкция, мало отличающаяся от упомянутых выше антенных систем, состоящих из антенной решетки ВРЛ и зеркальной антенны ПРЛ.
Известен ряд антенных систем, предназначенных исключительно для вторичных, в том числе моноимпульсных радиолокаторов [1. 2. 17, 18, 19, 20, 21]. Такими антеннами оснащаются как зарубежные ВРЛ, работающие только в международном режиме RBS [1, 17, 21] (однодиапазонные ВРЛ), так и отечественные ВРЛ, которые чаше всего одновременно работают в нескольких режимах вторичной радиолокации: в международном режиме RBS и отечественном режиме УВД [3…9, 14, 15]. Поэтому они получили название двухдиапазонных. Именно эти антенны в совокупности с зеркальными антеннами ПРЛ используются для построения антенных систем большинства современных отечественных РЛК [3, 4, 9, 15, 16].
Известна антенная система, состоящая из антенных решеток ПРЛ и ВРЛ, размещенных в пределах одной общей апертуры [23]. Такая конструкция является наиболее близкой к предлагаемому изобретению. Поэтому примем антенную систему [23] в качестве его прототипа.
В этом техническом решении излучатели ВРЛ расположены вертикально и соединены с делителями мощности ВРЛ, обеспечивающими формирование требуемого вида диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Каждый излучатель состоит из внутреннего делителя и набора элементарных излучателей, каждый из которых соединен с соответствующим выходом внутреннего делителя. Конструкция внутреннего делителя излучателя обеспечивает требуемый вид диаграммы направленности в вертикальной плоскости. В [23] ничего не говорится о том, могут ли быть реализованы вертикальные излучатели ВРЛ как двухдиапазонные с целью совмещения нескольких вторичных каналов (RBS, УВД). Но из [2, 18, 19, 20] следует, что это не представляет технических трудностей и не увеличивает существенно габаритов вертикальных излучателей ВРЛ по сравнению с однодиапазонными [21].
Излучатели ПРЛ в прототипе [23] расположены горизонтально. Каждый из них по конструкции является волноводно-щелевым излучателем. Сам волновод с расположенными на его стенке щелями является горизонтальным делителем мощности и обеспечивает формирование диаграммы направленности антенны ПРЛ в горизонтальной плоскости. В антенной системе [23] отсутствует делитель ПРЛ, распределяющий мощность между горизонтальными волноводно-щелевыми излучателями, т.к. в [23: Fig. 10] предлагается использование АР ПРЛ в режиме активной фазированной решетки, когда к каждому горизонтальному излучателю через циркулятор подключаются отдельные передающие и приемные устройства.
К недостаткам прототипа следует отнести следующее.
- Волноводно-щелевая конструкция антенны ПРЛ приемлема в S-диапазоне частот (в [23: Table 1] 2700…2900 ГГц) и выше. Если же ПРЛ работает в L-диапазоне (1215…1350 МГц), то масса и габариты волноводно-щелевой АР становятся не приемлемыми.
- Волноводно-щелевые антенны требуют высокой точности изготовления. Настройка таких антенн в части амплитудно-фазового распределения крайне затруднена.
- Существенно различаются технологии изготовления АР ПРЛ и ВРЛ, что не желательно в условиях серийного производства.
- Горизонтальный размер антенны ПРЛ в L-диапазоне составляет 7…8 м, а в S-диапазоне 3…4 м. Изготовление волноводно-щелевой антенны указанного размера затруднено в виду отсутствия или высокой цены оборудования, способного обрабатывать заготовки такой длины.
Технический результат предлагаемого изобретения - снижение массогабаритных характеристик, ветровой нагрузки и упрощение технологии изготовления антенной системы радиолокационных комплексов.
Дополнительный технический результат - автоматическое совмещение в пространстве максимумов диаграмм направленности АР ВРЛ и ПРЛ.
Указанный технический результат достигается тем, что М (М - целое число) излучателей АР ПРЛ также изготавливаются в виде вертикальных излучателей (по аналогии с излучателям АР ВРЛ) и размещаются в общей апертуре АС РЛК между излучателями АР ВРЛ. При этом количество излучателей ПРЛ, расположенное между двумя соседними излучателями ВРЛ, определяется рабочей частотой ПРЛ и примерно равно результату деления рабочей частоты ПРЛ на нижнюю рабочую частоту ВРЛ (1030 МГц). Входы излучателей АР ПРЛ соединяются с выходами делителя АР ПРЛ, конструкция которого обеспечивает заданный вид диаграммы направленности АР ПРЛ в горизонтальной плоскости путем создания необходимого амплитудно-фазового распределения между выходами делителя. Каждый излучатель АР ПРЛ имеет в своем составе внутренний делитель, вход которого является входом излучателя, a L (L-целое число) выходов внутреннего делителя подключены к L элементарным излучателям. Внутренний делитель формирует необходимое амплитудно-фазовое распределение сигнала между элементарными излучателями с целью получения необходимой формы диаграммы направленности излучателя и всей АР ПРЛ в вертикальной плоскости. Чаще всего эта диаграмма имеет форму косеканса в рабочем секторе вертикальных углов от 0° до 45°…50°. В остальных направлениях, в том числе и для отрицательных вертикальных углов (ниже горизонта) диаграмма направленности должна иметь минимально возможный уровень боковых лепестков [22: Fig. 2].
Структурные схемы антенной системы РЛК с одно- и двухдиапазонной антенной решеткой представлены на Фиг. 1 и Фиг. 2.
В настоящее время АС ВРЛ, построенная по предлагаемым в настоящем изобретении принципам, изготовлена и проходит испытания. Несомненные преимущества такой АС в части габаритных размеров хорошо видны из изображений, представленных на Фиг. 7-11.
На Фиг. 1 приведена структурная схема АС РЛК с однодиапазонной АР ВРЛ. Здесь:
1 - элементарные излучатели излучателя ВРЛ;
3 - внутренний делитель излучателя ВРЛ;
7 - делитель мощности ВРЛ;
9 - элементарные излучатели излучателя ПРЛ;
10 - внутренний делитель излучателя ПРЛ;
11 - излучатель ПРЛ;
12 - делитель мощности ПРЛ;
13 - однодиапазонный излучатель ВРЛ;
14 - однодиапазонный излучатель подавления задних лепестков диаграммы направленности ВРЛ.
На Фиг. 2 приведена структурная схема АС РЛК с двухдиапазонной АР ВРЛ. Здесь:
1 - элементарные излучатели излучателя ВРЛ первого диапазона;
2 - элементарные излучатели излучателя ВРЛ второго диапазона;
3 - внутренний делитель излучателя ВРЛ первого диапазона;
4 - внутренний делитель излучателя ВРЛ второго диапазона;
5 - двухдиапазонный излучатель ВРЛ;
6 - двухдиапазонный излучатель подавления задних лепестков диаграммы направленности ВРЛ;
7 - делитель мощности ВРЛ первого диапазона;
8 - делитель мощности ВРЛ второго диапазона;
9 - элементарные излучатели излучателя ПРЛ;
10 - внутренний делитель излучателя ПРЛ;
11 - излучатель ПРЛ;
12 - делитель мощности ПРЛ.
На Фиг. 3-4 приведен предлагаемый вариант расположения излучателей ПРЛ и ВРЛ АС РЛК для ПРЛ, работающих в L-диапазоне.
На Фиг. 5-6 приведен предлагаемый вариант расположения излучателей ПРЛ и ВРЛ АС РЛК для ПРЛ, работающих в S-диапазоне. Где:
15 - корпус.
На Фиг. 7-10 представлены примеры современных антенных систем радиолокационных комплексов. На фиг. 7 приведена антенная система STAR-NG (Thales) [6], на фиг. 8 - Лира-А10 [3], на фиг. 9 - Primaey and Secondary surveillance radar (PSR/SSR, Toshiba) [8], на фиг. 10 - Сопка-2 [9]
На Фиг. 11 представлен внешний вид антенной системы, разработанной по предлагаемым принципам. Где:
16 - радиопрозрачное укрытие.
Такая конструкция АС РЛК позволяет в габаритах АР ВРЛ реализовать антенны для первичного и вторичного радиолокаторов комплекса. При этом значительно (в разы) снижаются масса и габариты АС РЛК по сравнению с традиционным способом ее построения [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]. Одновременно повышается технологичность изготовления АС РЛК в силу единых технологических процессов изготовления излучателей и делителей АР ПРЛ и АР ВРЛ.
Литература
1. Navigation and Radio Technical System (NRTS CZ). Monopulse Secondary Surveillance Radar M10S. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.nrtscz.cz/ru/ssr-m10s/. свободный - (2022).
2. ВНИИРА-ОВД. МВРЛ-СВК двухдиапазонный моноимпульсный вторичный радиолокатор. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.vniira-ovd.com/index.php/ru/produktsiya/radiolokatsionnye-kompleksy/mvrl-svk?start=1, свободный - (2002).
3. ПАО «НПО «АЛМАЗ». ТОП «ЛЭМЗ». Аэродромный РЛК S-диапазона «Лира-А10». [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://lemz,ru/лира-а10/, свободный.
4. АО «АЗИМУТ». АМИ 2700. Аэродромный радиолокатор S диапазона с встроенным моноимпульсным вторичным каналом с режимом S. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.azimut.ru/catalog/catalog_32.html?template=96, свободный.
5. Радиолокационные системы STAR 2000. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.radartutorial.eu/19.kartei/03.atc/karte014.ru.html. свободный
6. Радиолокационные системы - STAR NG. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.radartutorial.eu/19.kartei/03.atc/karte027.ru.html. свободный.
7. Радиолокационные системы ASR-12. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.radartutorial.eu/19.kartei/03.atc/karte005.ru.html, свободный.
8. Toshiba. Airtraffic control systems. PSR/SSR. [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
https://www.global.toshiba.content/dam/toshiba/ww/outline/infrastructure/business-introduction/defense/pdf/PSR SSR.pdf, свободный (2019).
9. ПАО «НПО «АЛМАЗ». Трассовый радиолокационный комплекс «Сопка-2». [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://lemz,ru/сопка-2/, свободный - (2020).
10. АО «Челябинский радиозавод «Полет». Аэродромный обзорный радиолокатор АОРЛ-1АС.[Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://polyot.ru/products/267/, свободный.
11. US Patent №4,468,670. Antenna device for air traffic radar. Y. Suzuki, T. Chiba. 28.08.1984 г.
12. US Patent №3,916,414. Antenna system for primary and secondary radar. R. Trigon; G. Cohen. 28.10.1975.
13. US patent №4,284,991. Common antenna for primary and secondary radar system. A. Dupressoir. 18.08.1981.
14. US Patent №6,608,601 B1. Integrated antenna radar system for mobile and transportable air defense. D. Collinson, J. Rougas. 21.12.2000 г.
15. Вестник ПВО. РЛС 59-H6 «Противник ГЕ». [Электронный ресурс]. - Режим доступа: pvo.guns.ru/protivnik.htm. свободный - (2005).
16. ГАЗЕТА.RU. Безопасная посадка: В России модернизируют средства приземления самолетов. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://gazeta.ru/army/2021/03/01/13496342.shtml, свободный - (2021).
17. V. Schejbal, P. Bezousek, J. Pidanic, М. Chyba. Secondary surveillance radar antenna. IEEE Antennas and Propagation Magazine, April 2013
18. ВРЛ «Крона». Руководство по эксплуатации. Челябинск. НИИИТ, 1993.
19. Пат. №10009 U1. Российская Федерация, МКП H01Q 25/02 (1994). Двухдиапазонная антенна вторичного радиолокатора/ А.И. Громов, A.M. Караваев, И.Р. Москович; заявитель и патентообладатель ЗАО «НИИИТ-РК» - №98111073/20, 08.06.1998. Опубл. 16.05.1999
20. Концерн ВКО Алмаз-Антей. МВРЛ «Аврора-2». [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.almaz-antey.ru/osnovnaya-produktsiya-grazhdanskaya-naznacheniya/mvrl-avrora-2/, свободный.
21. ТН ALES GROUP. RSM 970 S. Monopulse Secondary Surveillance Radar/Mode S. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.thalesgroup.com/sites/default/files/database/d7/asset/document/rsm_uk.pdf, свободный.
22. Т. Shejbal, Т. Zalabsky, P. Bezousek. Power splitters and feeding networks for PSR antenna array. International Journal of Advanced and Applied Sciences, 2 (12) 2015, Pages: 78-83.
23. P. Bezousek, M. Chyba, V. Schejbal, J.Pidanic. Dual frequency band integrated antenna array. 7-th European Conference: Antennas and Propagation (EuCAP). 2013.
24. ГОСТ P 51845-2001. Системы вторичной радиолокации для управления воздушным движением. Общие технические условия. М.: Госстандарт России, 2001.