РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫМИ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ
RADAR REFLECTOR WITH ELECTRICALLY CONTROLLED POLARIZATION PROPERTIES

Изобретение относится к радиолокационной технике и может служить в качестве маркерного отражателя при решении задач навигации по пассивным маякам, а также калибровочным отражателем при калибровке поляризационных РЛС.
Известен радиолокационный отражатель [1], представляющий собой двухканальную антенну полного поляризационного приема передачи сигнала, соединенную с циркуляторами и двунаправленным фазовращателем, при этом, рассеивающие свойства отражателя соответствуют невзаимным объектам. Недостатком такой конструкции является то, что она обладает ограниченными возможностями и не может имитировать поляризационные свойства трехгранных и двухгранных отражателей, а также, она не способна изменять свои поляризационные свойства при помощи управляющих электрических сигналов.
Известен радиолокационный отражатель [2], представляющий собой металлическую поверхность, выполненную в виде параболоида вращения, в фокальной плоскости которого симметрично расположены закороченные с одной стороны отрезки круглых волноводов, с размещенными внутри замагниченными ферритовыми стержнями, при этом, фазовый центр одного из них находится в фокусе параболоида, а остальные смещены в направлении перпендикулярном оси параболоида. Недостатком такой конструкции является то, что она обладает ограниченными возможностями и не может имитировать поляризационные свойства трехгранных и двухгранных отражателей, и, кроме этого, она не способна изменять свои поляризационные свойства при помощи управляющих электрических сигналов.
Известен радиолокационный отражатель [3], представляющий собой пассивную переизлучающую линейную антенную решетку, состоящую из попарно соединенных с помощью волноводов круглого сечения одинаковой электрической длины, конических рупорных антенн, при этом, в волноводном тракте, соединяющем рупоры последовательно расположены секция круглого волновода с продольно намагниченным ферритом внутри и секция круглого волновода с встроенной фазовой четвертьволновой пластиной, при этом угол поворота плоскости поляризации проходящих через феррит электромагнитных волн составляет 90°. Недостатком такой конструкции является то, что она обладает ограниченными возможностями и не может имитировать поляризационные свойства трехгранных и двухгранных отражателей, и, кроме этого, она не способна изменять свои поляризационные свойства при помощи управляющих электрических сигналов.
Известен радиолокационный отражатель [4], представляющий собой пассивную переизлучающую коническую рупорную антенну, отличающийся тем, что в конструкцию включен отрезок круглого волновода с двумя встроенными волноводами прямоугольного сечения, при этом первый прямоугольный волновод предназначен для выделения линейной вертикально поляризованной компоненты электромагнитной волны и объединяется с волноводом круглого сечения с помощью секции плавного перехода с круглого на прямоугольный волновод, а второй прямоугольный волновод предназначен для выделения линейной горизонтально поляризованной компоненты электромагнитной волны и соединяется с первым волноводом с помощью прямоугольного волноводного тракта со скруткой на 90°, в состав которого включен невзаимный ферритовый фазовращатель. Недостатком такой конструкции является то, что она обладает ограниченными возможностями и не может имитировать поляризационные свойства трехгранных и двухгранных отражателей, и, кроме этого, она не способна изменять свои поляризационные свойства при помощи управляющих электрических сигналов.
Известен радиолокационный отражатель [5], представляющий собой пассивную переизлучающую антенну полного поляризационного приема-передачи электромагнитного поля, поляризационные свойства обратного рассеяния которой в главном лепестке диаграммы направленности могут быть заданы произвольным образом путем управления фазой и амплитудой ортогональных по поляризации компонент переизлучаемого поля. При этом в тракты питающих фидеров антенны введены невзаимные элементы - циркуляторы, обуславливающие разные пути прохождения ортогональных по поляризации компонент падающего поля при его обратном переизлучении, а установка требуемых параметров собственных поляризаций и коэффициента невзаимности отражателя производится путем регулировки управляемых аттенюаторов и фазовращателей, включенных в тракты прохождения ортогональных по поляризации компонент переизлучаемого поля, а также заданием угла ориентации фазовой пластинки в круглом волноводе облучателя переизлучающей антенны. Недостатком описанной выше конструкции является то, что она не способна изменять свои поляризационные свойства при помощи управляющих электрических сигналов, в том числе внешних сигналов, задающих вид поляризационной матрицы рассеяния и время ее удержания.
Радиолокационный отражатель, представляющий собой двухканальную антенну полного поляризационного приема передачи сигнала, соединенную выходом первого канала антенны с первым входом первого циркулятора и выходом второго канала антенны со вторым входом второго циркулятора, отличающийся тем, что в состав отражателя дополнительно введены третий и четвертый циркулятор, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой переключающие СВЧ диоды, устройство управления, первая и вторая секции волноводной линии, закороченные с одной стороны, при этом, второй выход первого циркулятора соединен с первым входом третьего циркулятора, третий выход третьего циркулятора соединен с первым входом второго циркулятора, второй выход третьего циркулятора соединен с первой секцией закороченной волноводной линии, третий выход второго циркулятора соединен с первым входом четвертого циркулятора, третий выход четвертого циркулятора соединен с третьим входом первого циркулятора, второй выход четвертого циркулятора соединен со второй закороченной секцией волноводной линии, первый и второй переключающие СВЧ диоды вмонтированы в волноводную линию, соединяющую выход первого канала антенны с первым входом первого циркулятора, при этом, расстояние между первым и вторым СВЧ диодами составляет четверть длины волны в волноводе, третий и четвертый переключающие СВЧ диоды вмонтированы в волноводную линию, соединяющую выход второго канала антенны со вторым входом второго циркулятора, при этом, расстояние между третьим и четвертым СВЧ диодами составляет четверть длины волны в волноводе, а электрическая длина волноводной линии, соединяющей выход второго канала антенны с третьим СВЧ диодом, кратна длине волны в волноводе и равна электрической длине волноводной линии, соединяющей выход первого канала антенны с первым СВЧ диодом, пятый переключающий СВЧ диод вмонтирован в первую секцию волноводной линии, при этом, расстояние между пятым СВЧ диодом и закороченной стенкой первой секции волноводной линии составляет четверть длины волны в волноводе, шестой переключающий СВЧ диод вмонтирован во вторую секцию волноводной линии, при этом, расстояние между шестым СВЧ диодом и закороченной стенкой второй секции волноводной линии составляет четверть длины волны в волноводе, а электрическая длина волноводной линии, соединяющей выход первого канала антенны, первый вход и второй выход первого циркулятора, первый вход и второй выход третьего циркулятора, пятый СВЧ диод, третий выход третьего циркулятора, первый вход и второй выход второго циркулятора и выход второго канала антенны, кратна удвоенному значению длины волны в волноводе и равна электрической длине волноводной линии, соединяющей выход второго канала антенны, второй вход и третий выход второго циркулятора, первый вход и второй выход четвертого циркулятора, шестой СВЧ диод, третий выход четвертого циркулятора, третий вход и первый выход первого циркулятора и выход первого канала антенны, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы устройства управления подсоединены с управляющими входами третьего, четвертого, пятого, шестого, второго и первого переключающих СВЧ диодов соответственно, цифровой вход устройства управления подключен к внешней линии связи и используется для задания режима работы отражателя, при этом, в первом режиме работы устройство управления формирует запускающие сигналы, отпирающие первый и второй переключающие СВЧ диоды и запирающие все остальные СВЧ диоды, во втором режиме работы устройство управления формирует запускающие сигналы, отпирающие второй и третий переключающие СВЧ диоды и запирающие все остальные СВЧ диоды, в третьем режиме работы устройство управления формирует запускающие сигналы, отпирающие первый и четвертый переключающие СВЧ диоды и запирающие все остальные СВЧ диоды, в четвертом режиме работы устройство управления формирует запускающие сигналы, отпирающие пятый и шестой переключающие СВЧ диоды и запирающие все остальные СВЧ диоды, в пятом режиме работы устройство управления формирует запускающие сигналы, запирающие все переключающие СВЧ диоды, в шестом режиме работы устройство управления формирует запускающие сигналы, отпирающие пятый переключающий СВЧ диод и запирающие все остальные СВЧ диоды, в седьмом режиме работы устройство управления формирует запускающие сигналы, отпирающие шестой переключающий СВЧ диод и запирающие все остальные СВЧ диоды.
Известно, что наиболее полно поляризационные и энергетические характеристики рассеяния цели описывает оператор рассеяния, проекцией которого на тот или иной поляризационный базис является матрица рассеяния.
Матрица обратного рассеяния (МОР) произвольного радиолокационного объекта имеет вид [6]:
Элементы МОР в общем случае являются комплексными переменными. Связь между напряженностью поля падающей и отраженной волны задается соотношением:
где  и  - ортогональные компоненты падающей волны, а  и  - ортогональные компоненты рассеянной волны в выбранном поляризационном базисе.
Различают следующие частные формы представления МОР в линейном декартовом базисе:
а) МОР поляризационно-изотропных объектов, таких как трехгранный уголковый отражатель, металлический шар, плоская металлическая пластина [6]
б) МОР двухгранного уголкового отражателя [6]
где ϕ - угол взаимной ориентации ребра уголкового отражателя и большой полуосью эллипса поляризации падающей волны.
При ϕ=0°
При ϕ=-90°
При ϕ=90°
При ϕ=180°
в) МОР абсолютно-невзаимного отражателя [7]
где β - угол поворота плоскости поляризации замагниченным ферритом.
При β=-45°
При β=45°
Двух- и трехгранные уголковые отражатели и невзаимные рассеиватели могут быть использованы при создании навигационных знаков и при калибровке поляризационных РЛС.
Рассмотрим реализацию радиолокационного отражателя с электрическими управляемыми поляризационными характеристиками, определяемыми формами представления МОР (3-11). Структурная схема радиолокационного отражателя с электрически управляемыми поляризационными свойствами представлена на фиг. 1. Радиолокационный отражатель включает в себя: 1 - антенна полного поляризационного приема-передачи; 2, 3, 4, 5, 9, 11 - переключательные СВЧ диоды; 6, 7, 8, 14 - циркуляторы; 10 - устройство управления, 12, 13 - закороченные с одной стороны волноводные секции. Антенна полного поляризационного приема-передачи электромагнитных волн представляет собой параболическое зеркало, в фокусе которого расположен облучатель, совмещенный с поляризационным расщепителем. При этом, в плече 1 антенны при приеме и переизлучении в главном лепестке диаграммы направленности формируется линейная вертикально поляризованная компонента, а в плече 2 формируется линейная горизонтально поляризованная компонента. У-циркуляторы коммутируют по часовой или против часовой стрелке СВЧ-сигналы, поступающие на волноводные плечи 1, 2, 3. Переключательные СВЧ диоды вмонтированы в волноводный тракт отражателя, что приводит к отражению от них рассеиваемых СВЧ радиоволн при условии, что через диод протекает прямой ток, формируемый устройством управления. Так например, p-i-n диод 2А546А-5 переходит в открытое состояние при токе 100 мА и напряжении 0,875 В, напряжение обратного смещения при закрытии диода составляет 100 В и время переключения составляет 1 мкс [8]. P-i-n диоды, находясь в закрытом состоянии, не оказывают влияние на прохождение СВЧ электромагнитных волн в волноводе. Устройство управления формирует электрические сигналы, открывающие и запирающие СВЧ диоды, включенные в точках А, В, С, D, Е, F в волноводном тракте отражателя. Рассмотрим режимы управления поляризационными характеристиками отражателя:
A
B
C
D
E
F
1) U=0,875 В (диод 2 открыт), U=0,875 В (диод 3 открыт), U=-100 В (диод 4 закрыт), U=-100 В (диод 5 закрыт), U=-100 В (диод 9 закрыт), U=-100 В (диод 11 закрыт)
На фиг. 2 показаны траектории прохождения горизонтальной и вертикальной поляризованных составляющих падающего СВЧ радиосигнала  и формирования рассеянного сигнала . С учетом того, что рассеяние компонент  и  происходит в точках А и В, расположенные синфазно в волноводном тракте отражателя, при этом, электрическая длина волновода, связывающего  и  кратна величине 2λ (λ - длина волны в волноводе) и равна длине волновода, связывающего  и  получаем  и . Полученные поляризационные свойства отражателя соответствуют виду МОР (2).
A
B
C
D
E
F
2) U=-100 В (диод 2 закрыт), U=0,875 В (диод 3 открыт), U=0,875 В (диод 4 открыт), U=-100 В (диод 5 закрыт), U=-100 В (диод 9 закрыт), U=-100 В (диод 11 закрыт)
На фиг. 3 показаны траектории прохождения горизонтальной и вертикальной поляризованных составляющих падающего СВЧ радиосигнала  и формирования рассеянного сигнала . С учетом того, что рассеяние компоненты  происходит в точке С, при этом, точка С находится на расстоянии  от точки А, так что компонента  приобретает дополнительный фазовый сдвиг в 180° по отношению к компоненте  рассеяние которой происходит в точке В. Получаем  и . Полученные поляризационные свойства отражателя соответствуют виду МОР (8).
A
B
C
D
E
F
3) U=0,875 В (диод 2 открыт), U=-100 В (диод 3 закрыт), U=-100 В (диод 4 закрыт), U=0,875 В (диод 5 открыт), U=-100 В (диод 9 закрыт), U=-100 В (диод 11 закрыт)
На фиг. 4 показаны траектории прохождения горизонтальной и вертикальной поляризованных составляющих падающего СВЧ радиосигнала  и формирования рассеянного сигнала . С учетом того, что рассеяние компоненты  происходит в точке D, при этом, точка D находится на расстоянии  от точки В, компонента  приобретает дополнительный фазовый сдвиг в 180° по отношению к компоненте  рассеяние которой происходит в точке А. Получаем  и . Полученные поляризационные свойства отражателя соответствуют виду МОР (5).
A
B
C
D
E
F
4) U=-100 В (диод 2 закрыт), U=-100 В (диод 3 закрыт), U=-100 В (диод 4 закрыт), U=-100 В (диод 5 закрыт), U=0,875 В (диод 9 открыт), U=0,875 В (диод 11 открыт)
На фиг. 5 показаны траектории прохождения горизонтальной и вертикальной поляризованных составляющих падающего СВЧ радиосигнала  и формирования рассеянного сигнала . С учетом того, что рассеяние компонент  и  происходит в точках Е и F, расположенные синфазно в волноводном тракте отражателя, при этом, электрическая длина волновода, связывающего  и  кратна величине 2λ и равна длине волновода, связывающего  и , получаем  и . Полученные поляризационные свойства отражателя соответствуют виду МОР (7).
A
B
C
D
E
F
5) U=-100 В (диод 2 закрыт), U=-100 В (диод 3 закрыт), U=-100 В (диод 4 закрыт), U=-100 В (диод 5 закрыт), U=-100 В (диод 9 закрыт), U=-100 В (диод 11 закрыт)
На фиг. 6 показаны траектории прохождения горизонтальной и вертикальной поляризованных составляющих падающего СВЧ радиосигнала  и формирования рассеянного сигнала . С учетом того, что рассеяние компоненты  происходит на отражающей стенке секции волновода 12, отстоящей от точки Е на расстоянии , рассеяние компоненты  происходит на отражающей стенке секции волновода 13, отстоящей от точки F на расстоянии , обе компоненты приобретают дополнительный фазовый сдвиг в 180°, так что  и . Полученные поляризационные свойства отражателя соответствуют виду МОР (6).
A
B
C
D
E
F
6) U=-100 В (диод 2 закрыт), U=-100 В (диод 3 закрыт), U=-100 В (диод 4 закрыт), U=-100 В (диод 5 закрыт), U=0,875 В (диод 9 открыт), U=-100 В (диод 11 закрыт)
На фиг. 7 показаны траектории прохождения горизонтальной и вертикальной поляризованных составляющих падающего СВЧ радиосигнала  и формирования рассеянного сигнала . С учетом того, что рассеяние компоненты  происходит на отражающей стенке секции волновода 13, отстоящей от точки F на расстоянии , компонента  приобретает дополнительный фазовый сдвиг в 180° по отношению к компоненте , рассеиваемой в точке Е. В результате получаем  и . Полученные поляризационные свойства отражателя соответствуют виду МОР (10).
A
B
C
D
E
F
7) U=-100 В (диод 2 закрыт), U=-100 В (диод 3 закрыт), U=-100 В (диод 4 закрыт), U=-100 В (диод 5 закрыт), U=-100 В (диод 9 закрыт), U=0,875 В (диод 11 открыт)
На фиг. 8 показаны траектории прохождения горизонтальной и вертикальной поляризованных составляющих падающего СВЧ радиосигнала  и формирования рассеянного сигнала . С учетом того, что рассеяние компоненты  происходит на отражающей стенке секции волновода 12, отстоящей от точки Е на расстоянии  компонента  приобретает дополнительный фазовый сдвиг в 180° по отношению к компоненте , рассеиваемой в точке F. В результате получаем  и . Полученные поляризационные свойства отражателя соответствуют виду МОР (11).
3
2
1
6
5
4
3
2
1
Рассмотренные режимы управления поляризационными свойствами отражателя задаются при помощи устройства управления, реализующего алгоритм преобразования выбранного кода режима работы в последовательность управляющих сигналов. В таблице 1 приведено соответствие двоичных кодов режима работы а:а:а и двоичных кодов управляющих сигналов g:g:g:g:g:g.
3
2
1
Реализация преобразователя кодов согласно таблице 1 может быть выполнена при помощи цифровых логических микросхем, при этом, двоичный код а:а:а может быть задан устройством управления, например, при помощи кнопочной клавиатуры, или поступить по выделенному каналу связи. Скорость переключения режимов управления поляризационными свойствами отражателя ограничена быстродействием переключательных СВЧ диодов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент RU 2398318 С1 РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ, авторы Доценко В.В., Осипов М.В., Хлусов В.А., патентообладатель ЗАО «НПФ Микран», опубликовано 27.08.2010, бюл. №24
2. Патент RU 2225059 С2 РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ, авторы Суханюк A.M., Шошин Е.Л., Рыжаков В.В., патентообладатель Сургутский государственный университет ХМАО, опубликовано 27.02.2004, бюл. №6
3. Патент RU 34258 U1 РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ, авторы Суханюк A.M., Шошин Е.Л., патентообладатель Сургутский государственный университет ХМАО, опубликовано 27.11.2003, бюл. №33
4. Патент RU 36532 U1 РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ, авторы Суханюк A.M., Шошин Е.Л., патентообладатель Сургутский государственный университет ХМАО, опубликовано 10.03.2004, бюл. №7
5. Патент RU 2398317 С1 РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ, авторы Доценко В.В., Осипов М.В., Хлусов В.А., патентообладатель ЗАО «НПФ Микран», опубликовано 27.08.2010, бюл. №24
6. Татаринов В.Н., Татаринов С.В., Лигтхарт Л.П. Введение в современную теорию поляризации радиолокационных сигналов. Т.1. Поляризация плоских электромагнитных волн и ее преобразования. - Томск: изд-во Том. ун-та, 2006. - 380 с.
7. Хлусов В.А. Параметризация матрицы обратного рассеяния невзаимных сред // «Оптика атмосферы м океана», №8 (1995), С. 1441-1445
8. Сычев А.Н. Управляемые СВЧ устройства на многомодовых полосковых структурах. Томск: ТГУ, 2001.318 с.