СИСТЕМА СИНХРОНИЗАЦИИ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ

Полезная модель относится к области радиотехники, в частности к радиолокационным системам (РЛС), использующим активные фазированные антенные решетки и системам синхронизации сигналов и может быть использована для синхронизации импульсного источника питания приемопередающих модулей активной фазированной антенной решетки (АФАР).
Структурная схема активной фазированной антенной решетки содержит источник питания приемо-передающих модулей [«Активные фазированные решетки», под. ред. Воскресенского Д.И., Канащенкова А.И. - М.: Радиотехника 2004 г. стр. 34-35]. В качестве источников питания модулей АФАР используются импульсные источники питания, обладающие высоким коэффициентом полезного действия и имеющие существенно меньшие массу и объем, по сравнению с линейными источниками, что необходимо в связи с большой потребляемой мощностью АФАР.
Несмотря на указанные выше достоинства, импульсные источники питания являются источниками электромагнитных помех [«Силовая электроника №4 2006 г. Электромагнитная совместимость импульсных источников питания. Часть I» Владимир Ланцов, Саркис Эраносян], [«Силовая электроника №1 2007 г. Электромагнитная совместимость импульсных источников питания. Часть II» Владимир Ланцов, Саркис Эраносян]. Применение импульсных источников питания требует применения различных средств и способов уменьшения уровня электромагнитных помех.
Известен «Способ эксплуатации импульсного источника питания» [RU 2464613 опубликовано 20.10.2012 МПК G05B 11/30 (2006.01)], заключающийся в том, что импульсный источник питания содержит переключающий элемент, который посредством сигнала переключения с изменяемой частотой переключения включается и выключается, причем для соблюдения предписаний электромагнитной совместимости (ЭМС) задается ширина полосы частот, внутри которой могут определяться средние уровни частотного спектра сигнала переключения, а частота переключения модулируется частотой модуляции большей, чем ширина полосы частот. Для определения максимального уровня частотного спектра сигнала переключения задается нижняя граничная частота и что в зависимости от скважности сигнала переключения в качестве критической гармоники частотного спектра переключения устанавливается та гармоника, частота которой больше граничной частоты и которая имеет наибольший помеховый уровень и кроме того для модуляции частоты переключения задается индекс модуляции, который соответствует значению частного от деления примерно 1,42 на порядковый номер критической гармоники.
Применение импульсных источников в АФАР радиолокационных систем предъявляет жесткие требования к ЭМС источников питания, поскольку даже очень слабые помеховые сигналы могут проявляться в виде ложных целей, снижать вероятность обнаружения и тем самым приводить радиолокационную станцию в нерабочее состояние. Поэтому приведенный выше способ имеет серьезные ограничения на применение в радиолокационных системах.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является построение апертуры активной фазированной решетки описанное в «Dual channel microwave transmit/receive module for an active aperture of a radar system» [US 6114986 опубликовано 05.09.2000 G01S 7/28]. Апертура активной решетки для радиолокационной станции включает множество элементов АФАР, объединенных в множество одинаковых двухканальных приемопередающих модулей соединенных с соответствующими циркуляторами. Каждый приемо-передающий модуль содержит пару передающих портов и пару приемных портов, соединенных с отдельными антенными элементами и циркуляторами для реализации двух отдельных изолированных приемопередающих каналов в одном приемо-передающем модуле. Оба приемопередающих канала, кроме того, используют общий входной порт от передающей распределительной системы и общий выходной порт соединенный с входом приемной распределительной системы, которые образуют часть общей распределительной системы. Объединенный выход приемной распределительной системы соединен с входом приемной секции РЛС. Радиоимпульсы, генерируемые для излучения, подаются в передающую распределительную систему посредством драйвера антенной решетки. Шесть радиочастотных входных/выходных портов определяют радиочастотный интерфейс приемо-передающего модуля. Модуль, кроме того, запитан мощностью постоянного тока от источника постоянного тока и получает сигналы управления лучом от блока управления лучом через питающий и логический интерфейсы. Все эти подсистемы находятся под управлением одного из микропроцессоров, входящего в состав РЛС.
Недостатками данного решения является то, что в спектре зондирующего сигнала РЛС будет присутствовать множество дискретных паразитных составляющих, возникающих в результате биений частот преобразования импульсных источников питания и частоты повторения импульсов зондирующего сигнала РЛС. Появление этих частот приводит к снижению вероятности обнаружения целей и повышению вероятности ложной тревоги.
Техническим результатом полезной модели является устранение ложных целей РЛС с АФАР на потенциальной дальности при заданной вероятности обнаружения целей и заданном уровне ложных тревог, за счет устранения паразитных дискретных составляющих импульсных источников питания, запитывающих приемо-передающие модули АФАР.
Сущность предлагаемой системы синхронизации активной фазированной антенной решетки радиолокационной станции состоит в том, что она содержит радиолокационную станцию, M групп приемопередающих элементов, где M целое число большее или равное единице, M приемопередающих модулей, приемо-передающую распределительную систему, драйвер антенной решетки, блок управления лучом. При этом первый выход радиолокационной станции соединен с входом блока управления лучом, второй выход радиолокационной станции соединен с входом драйвера антенной решетки, выход которого соединен с входом приемо-передающей распределительной системы, выход приемо-передающей распределительной системы соединен с входом радиолокационной станции.
Новым в предлагаемом техническом решении является то, что каждая группа состоит из N приемо-передающих элементов, причем все приемопередающие модули выполнены N-канальными, где N целое число большее или равное единице, дополнительно введены M L-канальных импульсных источников питания, где L целое число большее или равное единице, синтезатор частоты синхронизации импульсных источников питания. При этом выход каждого из N приемо-передающих элементов входящих в группу соединен с соответствующим из N радиочастотным входом N-канальных приемо-передающих модулей. Входы каждого из N приемо-передающих элементов входящих в группу соединены с соответствующим из N радиочастотным выходом N-канальных приемо-передающих модулей. Каждый из M сигнальных выходов приемо-передающей распределительной системы соединен с входом каждого из M N-канального приемопередающего модуля. Каждый из L выходов каждого из L-канальных импульсных источников питания соединен с соответствующим из L питающим входом N-канального приемо-передающего модуля. Выход каждого из M N-канального приемо-передающего модуля соединен с соответствующим из M сигнальным входом приемно-передающей распределительной системы. Выход блока управления лучом соединен с управляющими входами каждого из M N-канальных приемо-передающих модулей. Третий выход радиолокационной станции соединен с первым входом каждого из M L-канальных импульсных источников питания, четвертый выход радиолокационной станции соединен с входом синтезатора частоты синхронизации импульсных источников питания, выход которого соединен со вторым входом каждого из M L-канальных импульсных источников питания.
На Фиг. 1 представлена функциональная схема системы синхронизации активной фазированной антенной решетки радиолокационной станции.
На Фиг. 2 представлен вариант исполнения синтезатора частоты синхронизации импульсных источников питания.
На Фиг. 3 представлена спектрограмма напряжения на выходе импульсного источника питания (4 канала, L=4), работающего на внутренней частоте преобразования.
На Фиг. 4 представлена спектрограмма напряжения на выходе импульсного источника питания (4 канала, L=4), работающего на внешней частоте преобразования.
Система синхронизации активной фазированной антенной решетки радиолокационной станции содержит M групп приемопередающих элементов 1, где M целое число большее или равное единице, M N-канальных приемо-передающих модулей 2, где N целое число большее или равное единице, M L-канальных импульсных источников питания 3, где L целое число большее или равное единице, радиолокационную станцию 4, драйвер антенной решетки 5, приемо-передающую распределительную систему 6, блок управления лучом 7, синтезатор частоты синхронизации импульсных источников питания 8.
Приемо-передающие элементы 1 объединены в группы по N элементов, выход каждого из N приемо-передающих элементов 1 соединен с соответствующим из N радиочастотным входом N-канальных приемопередающих модулей 2. Входы каждого из N приемо-передающих элементов 1 соединены с соответствующим из N радиочастотным выходом N-канальных приемо-передающих модулей 2. Каждый из M сигнальных выходов приемо-передающей распределительной системы 6 соединен с входом каждого из M N-канального приемо-передающего модуля 2. Каждый из L выходов каждого из L-канальных импульсных источников питания 3 соединен с соответствующим из L питающим входом N-канального приемопередающего модуля 2. Выход каждого из M N-канального приемопередающего модуля 2 соединен с соответствующим из M сигнальным входом приемно-передающей распределительной системы 6. Первый выход радиолокационной станции 3 соединен с входом блока управления лучом 7, выход которого соединен с управляющими входами каждого из M N-канальных приемо-передающих модулей 2. Второй выход радиолокационной станции 4 соединен с входом драйвера антенной решетки 5, выход которого соединен с входом приемо-передающей распределительной системы 6. Выход приемо-передающей распределительной системы 6 соединен с входом радиолокационной станции 4. Третий выход радиолокационной станции 4 соединен с первым входом каждого из M L-канальных источников питания 3. Четвертый выход радиолокационной станции соединен с входом синтезатора частоты синхронизации импульсных источников питания 8, выход которого соединен со вторым входом каждого из M N-канальных источников питания 3.
Синтезатор частоты синхронизации импульсных источников питания 8, пример исполнения которого приведен на Фиг.2, содержит умножитель частоты 9, делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 10.
Вход умножителя частоты 9 является входом синтезатора частоты синхронизации импульсных источников питания 8. Выход умножителя частоты 9 соединен с входом делителя с переменным коэффициентом деления 10. Выход ДПКД 10 является выходом синтезатора частоты синхронизации импульсных источников питания 8.
Система синхронизации активной фазированной антенной решетки радиолокационной станции работает следующим образом.
При работе АФАР на излучение сигнала радиолокационная станция 4 формирует зондирующий сигнал и передает его со второго выхода на вход драйвера антенной решетки 5. С выхода драйвера антенной решетки 5 зондирующий сигнал поступает на вход приемо-передающей распределительной системы 6. Приемо-передающая распределительная система 6 распределяет зондирующий сигнал между M N-канальными приемо-передающими модулями. Для этого с каждого из M сигнальных выходов приемо-передающей распределительной системы 6 зондирующий сигнал передается на сигнальный вход соответствующего N-канального приемо-передающего модуля 2. В N-канальном приемо-передающем модуле происходит распределение сигнала между N приемо-передающими элементами 1. С каждого из N радиочастотных выходов N-канального приемо-передающего модуля сигнал поступает на вход соответствующего приемо-передающего элемента 1. Приемо-передающий элемент 1 антенной решетки излучает зондирующий сигнал.
При работе АФАР на прием сигнала приемо-передающий элемент 1 принимает зондирующий сигнал. С выхода приемо-передающего элемента 1 сигнал поступает на соответствующий радиочастотный вход N-канального приемо-передающего модуля 2. В приемо-передающем модуле 2 осуществляется усиление и фильтрация принятого сигнала. С выхода приемо-передающего модуля 2 сигнал поступает на соответствующий сигнальный вход приемо-передающей распределительной системы 6. С объединенного выхода приемо-передающей распределительной системы 6 сигнал поступает в приемную часть радиолокационной станции 4.
Управление диаграммой направленности АФАР осуществляет блок управления лучом 7 (БУЛ). С первого выхода радиолокационной станции 4 по информационной шине поступают импульсы запуска передатчика (ИЗП) и сигнал с информацией о положении луча диаграммы направленности АФАР на вход БУЛ 7, который преобразует принятую информацию в коды управления соответствующим N-канальным приемо-передающим модулем 2. Коды управления и зондирующий сигнал с выхода БУЛ 7 поступают на управляющие входы N-канальных приемо-передающих модулей 2.
В обоих режимах работы АФАР N-канальные приемо-передающие модули 2 запитаны от L-канальных импульсных источников питания 3. С каждого из L выходов L-канального источника питания 3 поступает напряжение питания на каждый из L питающих входов N-канального приемо-передающего модуля 2. В частном случае, один канал импульсного источника питания 3 запитывает один канал приемо-передающего модуля 2 (L=N) - это позволяет более гибко управлять приемо-передающими модулями, в общем случае один канал импульсного источника питания 3 может запитывать несколько каналов приемо-передающего модуля 2. При работе импульсных источников питания 3 на внутренних частотах преобразования возникают биения частоты преобразования и частоты следования ИЗП, попадающие в доплеровский диапазон РЛС, в область гармоник сигнала ИЗП. На Фиг. 3 приведена спектрограмма напряжения на выходе импульсного источника питания, выполненного с использованием микромодуля LTM8033 и работающего на внутренней частоте преобразования ~600 КГц. Этот источник питания представляет собой один из каналов питания экспериментального четырехканального преобразователя-модулятора. Напряжение с выхода каждого канала источника питания модулируется сигналом ИЗП (Fизп ~ 150,5 КГц). На рисунке отчетливо видны спектральные составляющие сигнала ИЗП, кратные его частоте повторения, и паразитные составляющие от внутренних частот преобразования каждого из четырех источников питания.
Для устранения биений частоты предлагается синхронизировать работу импульсных источников питания 3 внешней частотой, кратной частоте ИЗП следующим образом.
Радиолокационная станция 4 вырабатывает и выдает управляющие сигналы на вход синтезатора частоты синхронизации импульсных источников питания 8. С четвертого выхода радиолокационной станции 4 на вход синтезатора частоты синхронизации импульсных источников питания 8 поступают частота задающего генератора Fзг, код режима и код периода ИЗП. Код режима определяет диапазон изменения частот повторения сигнала ИЗП-ВЧП (высокая частота повторения), СЧП (средняя частота повторения) и НЧП (низкая частота повторения). Синтезатор частоты синхронизации импульсных источников питания 8 состоит из умножителя частоты 9 и делителя с переменным коэффициентом деления 10 (ДПКД). На вход умножителя частоты поступают частота задающего генератора Fзг, код режима и код периода ИЗП. Умножитель частоты 9 вырабатывает частоту Fоп в соответствии с формулой:
Fоп=[Fзг/n]×m, где
Fоп - опорная частота формирования сигнала синхронизации источников питания,
Fзг - частота задающего генератора,
n - коэффициент кратности частоты задающего генератора (Fзг) относительно опорной частоты формирования сигнала ИЗП (зависит от режима работы радиолокационной станции 4),
Fзг/n - опорная частота формирования сигнала ИЗП (определяет минимальный дискрет изменения периода повторения сигнала ИЗП),
m - коэффициент умножения опорной частоты формирования сигнала синхронизации источников питания (Fоп) относительно опорной частоты формирования сигнала ИЗП.
Таким образом, радиолокационная станция 4 формирует сигнал ИЗП из опорной частоты Fзг/n, а синтезатор частоты синхронизации импульсных источников питания 8 формирует сигнал синхронизации источников питания Fсинхр из опорной частоты Fоп=[Fзг/n]×m, причем управление происходит с использованием одного и того же кода периода ИЗП. Для этого сигнал с частотой Fоп подается с выхода умножителя частоты 9 на вход ДПКД 10, в котором осуществляется деление частоты опорного сигнала Fоп в соответствии кодом периода повторения ИЗП. Частоты повторения сигнала ИЗП (Fизп) и сигнала синхронизации источников питания (Fсинхр) определяются в соответствии с формулами:
Fизп=[Fзг/n]/к
Fсинхр=[Fзг/n]×m/к, где
к - код периода повторения сигнала ИЗП.
Из приведенных формул видно, что частота сигнала Fсинхр отличается от частоты сигнала Fизп в m раз, то есть в кратное число раз для любых значений кода периода повторения сигнала ИЗП (к) и коэффициента кратности (n), определяемого кодом режима работы (ВЧП, СЧП, НЧП). Коэффициент m определяет требуемый диапазон изменения частоты повторения сигнала внешней синхронизации Fсинхр для L-канальных импульсных источников питания 3.
С выхода синтезатора частоты синхронизации импульсных источников питания 8 сигнал синхронизации поступает на вторые входы L-канальных импульсных источников питания.
На Фиг. 4 приведена спектрограмма напряжения на выходе четырехканального импульсного источника питания на микросхеме LTM8033 с внешней синхронизацией импульсного источника питания. Сигнал синхронизации вырабатывает синтезатор частоты синхронизации импульсных источников питания 8, частота Fсинхр = Fизп × 4 = 150,5 КГц × 4 = 602 КГц, то есть частота синхронизации источника питания в четыре раза больше частоты ИЗП (m=4), и в качестве опорной частоты формирования сигнала ИЗП используется частота задающего генератора Fзг (n=1). На Фиг.4 видно, что в спектре присутствуют только дискретные составляющие частоты ИЗП.
Таким образом, за счет внешней синхронизации импульсных источников питания АФАР частотой Fсинхр, кратной частоте зондирующего сигнала Fизп, устраняются паразитные дискретные составляющие напряжения импульсных источников питания, являющихся причиной обнаружения ложных целей радиолокационной станцией.