ОДНОАНТЕННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ МАТРИЦЫ
SINGLE-ANTENNA MEASURING GAUGE OF POLARISED MATRIX

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для измерения радиолокационных характеристик целей. Преимущественное применение изобретения - измерение поляризационной матрицы радиолокационных целей на моделях.
Известна измерительная установка для измерения «нелинейных» радиолокационных характеристик целей (RU пат. № 2265230 G01R 29/08, G01S 13/04, Бюл. № 33 от 27.11.2005 г.). Это устройство содержит задающий генератор, полосовой фильтр, передающую и приемную антенны, регистратор, последовательно соединенные усилитель, гетеродин и блок стабилизации частоты гетеродина. Между приемной антенной и регистратором последовательно соединены разделитель поляризаций и два параллельных приемных канала. Каждый канал состоит из последовательно соединенного смесителя и усилителя приемного канала. Выходы усилителей присоединены к соответствующим входам регистратора, а вторые их выходы подключены к фазовому детектору, выход которого подключен к регистратору. Между задающим генератором и полосовым фильтром введен направленный ответвитель. К боковому выходу направленного ответвителя последовательно подключены усилитель и блок стабилизации частоты гетеродина. Передающая антенна выполнена круговой поляризации излучения. Два выхода гетеродина подключены к смесителям соответствующих приемных каналов, третий выход - к блоку стабилизации частоты, а выход полосового фильтра подсоединен к передающей антенне.
Это установка не позволяет измерять полную поляризационную матрицу и для измерения комплексных элементов требуется большая дальность до цели для создания условий измерений, близких к условиям измерения в дальней зоне антенны, что приводит к увеличению потенциала установки, размеру измерительной площадки и материальным затратам.
Известный одноантенный измеритель обратного рассеяния (СССР авт.св. № 302810, H03J 5/00, Бюл. № 15 от 28.04.71) содержит генератор, основной и опорный каналы, поляризатор, устройство разделения и регистрации падающих и радиоволн вторичного излучения целью и приемопередающую антенну. Устройство разделения излучаемых антенной и переотраженных целью радиоволн выполнено в виде волноводного направленного разделителя поляризаций с основной линией квадратного или круглого сечения и с двумя боковыми линиями прямоугольного сечения. Широкие стенки боковых волноводов взаимно перпендикулярны. Измеритель обратного рассеяния предназначен для измерения поляризационной матрицы М цели при закреплении цели на жесткой опоре.
Матричное уравнение (1), связывающее две ортогональные компоненты падающих на цель радиоволн с соответствующими компонентами вторичного излучения целью радиоволн, имеет вид
где Ei,x и Ei,y - ортогональные компоненты падающих на цель радиоволн;
Er,х и Er,y - ортогональные компоненты вторичного излучения целью радиоволны;
xx
xy
yx
yy
a·expiφ, b·expiφ, c·expiφ и d·expiφ - элементы поляризационной матрицы;
a, b, с и d - модули элементов поляризационной матрицы;
уу
хх
ух
ху
φ, φ, φ и φ - аргументы элементов поляризационной матрицы.
Матрица М, модули которой откалиброваны в значениях эффективной поверхности рассеяния - σ (ЭПР), записывается в виде
уу
xx
ух
ху
где σ, σ и σ, σ - эффективные поверхности рассеяния цели при параллельном и ортогональном приеме вторичного излучения целью радиоволн в заданном поляризационном базисе.
ух
ух
xy
xy
Поляризационная матрица симметрична, если передающая и приемная антенны совмещены. В этом случае элементы матрицы √σ, expiφ и √σ, expiφ равны и матрица рассеяния (2) принимает вид
Это устройство измеряет полную поляризационной матрицу, но для измерения комплексных элементов требуется большая дальность до цели для создания условий измерений, близких к условиям измерения в дальней зоне антенны, что требует увеличить потенциал установки, размер измерительной площадки и материальные затраты.
Известно устройство, позволяющее существенно сократить необходимое расстояние до цели. Этим устройством является коллиматор, выполненный в виде линзовой антенны с линзой с одной внутренней преломляющей поверхностью (Майзельс Е.Н., Торгованов В.А., Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей, М., Сов. радио, 1972, с.59, рис. 3.1.а). Линза с одной внутренней преломляющей поверхностью приближает фазовое распределение электромагнитного поля в раскрыве к фазовому распределению в плоской электромагнитной волне, но увеличивает неоднородность амплитудного распределения облучателя, что ведет к большим погрешностям измерения, к уменьшению потенциала измерительной установки и динамического диапазона измерений.
Амплитудное распределение поля в раскрыве линзы не совпадает с угловым амплитудным распределением поля ее облучателя. При прохождении энергии через линзу вследствие неодинаковости углов преломления для различных лучей происходит изменение ширины элементарных пучков лучей до и после прохождения лучом преломляющей поверхности линзы.
Для линзы с внутренней преломляющей поверхностью элементарные пучки, падающие на преломляющую поверхность, расширяются (фиг.1), что приводит к увеличению спада амплитудного распределения от оси линзы к краям, в то же время для линзы с внешней преломляющей поверхности элементарные пучки, падающие на преломляющую поверхность, сужаются (фиг.2), тем самым увеличивают амплитуду в амплитудном распределение на краях линзы и компенсируют спад амплитуды, вызванный диаграммой направленности облучателя.
1
1
На фиг.1 и 2 введены обозначения: f - фокусное расстояние линзы; t - толщина линзы; α - угол, под которым луч выходит из раскрыва облучателя; r - луч, падающий на преломляющую поверхность линзы под углом α; θ - угол, образованный лучом r и перпендикуляром в точке его падения на преломляющую поверхность линзы; у и х - координаты декартовой системы координат с центром в фазовом центре облучателя; y и x - координаты декартовой системы координат с центром в точке падения луча r на преломляющую поверхность линзы.
На фиг.3 приведены рассчитанные графики относительного углового распределения потока мощности Р(α) на внешней поверхности линзы с внутренней (пунктирная кривая) и внешней (сплошная кривая) преломляющей поверхностью, выполненные из пенопласта ПС-1 с диэлектрической постоянной, равной 1,1. Распределение потока мощности Р(α) облучателя обозначено штрихпунктирной линией. Графики подтверждают, что линза с внутренней преломляющей поверхностью увеличивает амплитудную неоднородность, а линза с внешней преломляющей поверхностью уменьшает амплитудную неоднородность в раскрыве.
У линзы с одной внешней преломляющей поверхностью, выполненной из пенопласта РС-1, коэффициент использования раскрыва в два раза больше по сравнению с линзой с одной внутренней преломляющей поверхностью. При одинаковых размерах амплитудной неоднородности в раскрывах линз с внутренней и внешней преломляющей поверхностью последняя имеет фокусное расстояние в 2-3 раза меньше, что увеличивает потенциал измерительной установки на 12-19 дБ по сравнению с установкой, снабженной линзой с внутренней преломляющей поверхностью.
Технический результат изобретения - уменьшение размеров измерительной установки, увеличение ее потенциала и динамического диапазона измерений при прочих равных условиях.
На фиг.4 представлена структурная схема одноантенного измерителя. Одноантенный измеритель поляризационной матрицы содержит: 1 - передатчик (Прд); 2 - поляризатор (Пл); 3 - направленный разделитель поляризаций (НРП) с ортогональными Е и Н плечами; 4 - две переменные комплексные нагрузки (ПН); 5 - два амплифазометра (АФ); линзовую антенну, состоящую из облучателя 6 и линзы (Л) 7 с одной внешней преломляющей поверхностью.
Выход передатчика 1 соединен с входами опорных сигналов амплифазометров 5 и с входом поляризатора 2. Выход поляризатора 2 соединен с входом основного плеча направленного разделителя поляризаций 3. Выход разделителя поляризаций 3 соединен с входом приемопередающей антенны. Ненаправленные выходы Е и Н боковых плеч разделителя поляризаций 3 соединены с соответствующими переменными нагрузками 4. Направленные выходы Е и Н боковых плеч разделителя поляризации 3 соединены с сигнальными входами соответствующих амплифазометров 5.
Приемопередающая антенна выполнена линзовой из облучателя 6 и линзы 7. Линза 7 выполнена с одной внешней преломляющей поверхностью.
Одноантенный измеритель работает следующим образом. СВЧ-сигнал передатчика 1 поступает на вход поляризатора 2, небольшая часть СВЧ-сигнала поступает на входы опорных сигналов амплифазометров 5, необходимых для измерения фаз. Поляризатор 2 преобразует волну с вертикальной линейной поляризацией на его входе в волну с требуемой поляризацией на его выходе (горизонтальную, наклонную, с круговой поляризацией или не меняет поляризацию). С выхода поляризатора 2 СВЧ-сигнал поступает на облучатель 6, а с его выхода - на внутреннюю непреломляющую поверхность линзы 8. На внешней преломляющей поверхности линзы формируется электромагнитное поле с равномерными распределениями амплитуды и фазы, которым облучается модель цели. Отражения СВЧ-сигнала от частей СВЧ-тракта, облучателя и линзы (местных предметов) компенсируются до уровня шумов супергетеродинных приемников амплифазометров с помощью комплексных переменных нагрузок 4. С помощью нагрузок изменяют амплитуду и фазу отраженных от них сигналов. После чего перед линзой помещают измеряемую модель. Вторичное излучение модели цели через линзу и облучатель поступает на выход основного плеча НРП 3, а из него - на направленные выходы Е (вертикальной поляризации) и Н (горизонтальной поляризации) боковых плеч. С выходов Е и Н боковых плеч НРП 3 сигнал поступает на входы соответствующих амплифазометров 5.
Передатчик 1 выполнен непрерывного излучения. Поляризатор 2 имеет вход прямоугольного волновода, переходящего в круглый волновод. В круглом волноводе имеются две четвертьволновые вставки, одна из которых преобразует вертикальную поляризацию волны в волну с круговой поляризацией, а вторая - круговую поляризацию в линейную с требуемым наклоном плоскости поляризации. Круглый волновод поляризатора переходит в квадратный. Основное плечо направленного разделителя поляризации 3 имеет квадратное сечение, а боковые плечи выполнены на волноводах прямоугольного сечения. Комплексные переменные нагрузки 4 выполнены на волноводе прямоугольного сечения с изменением амплитуды и фазы отраженного СВЧ-сигнала. Амплифазометры выполнены с супергетеродинными приемниками, фазовыми и амплитудными детекторами и регистраторами фаз и амплитуд. Облучатель 6 выполнен в виде рупора. Линза 7 выполнена из пенопласта с одной внешней преломляющей поверхностью.
Пример выполнения одноантенного измерителя поляризационной матрицы
Генератор 1 работает на волне 3,2 см, его мощность 2 Вт, стабильность несущей частоты - одна десятимиллионная, которая сохраняется в течение 30 минут. Диаметр круглого волновода поляризатора 23 мм. Сечение основного плеча НРП 3 квадратное 20×20 мм, боковые Е и Н плечи выполнены на прямоугольном волноводе с сечением 23×10 мм. Раскрыв облучателя равен 6,4 см. Линза выполнена из пенопласта ПС-1 с одной внешней преломляющей поверхностью, диаметр линзы 150 см и фокусное расстояние 200 см. Комплексные переменные нагрузки выполнены на волноводе прямоугольного сечения 23×10 мм с возможностью изменения амплитуды в 20 раз и фазы на 2π отраженного СВЧ-сигнала. Нагрузки обеспечивают компенсацию сигналов сторонних предметов на 60 дБ. В раскрыве линзы в пределах 50×50 см обеспечивается равномерное распределение: амплитуды с точностью 1 дБ и фазы - π/8.
Технический результат изобретения достигнут. При заданных размерах поля 50×50 см с равномерными распределениями амплитуды и фазы уменьшены размеры площади под измеритель в два раза, его потенциал и динамический диапазон измерений увеличены на 8 дБ.