Контрольный переизлучатель радиолокационных сигналов, имитирующий доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала

Полезная модель относится к радиолокационной технике и может применяться в качестве имитатора движущейся цели для контроля и юстировки импульсно-доплеровских радиолокационных станций (далее - РЛС).
В современных импульсно-доплеровских РЛС зачастую применяется круговая поляризация радиосигналов. Это обуславливает дополнительные требования к отражателям, делая многие существующие решения в этой области неудовлетворительными, даже если имитация доплеровского сдвига частоты не требуется. Так, трехгранные уголковые отражатели, состоящие из трех плоских взаимоперпендикулярных металлических граней, при отражении обращают направление поляризации, что делает отраженный сигнал неразличимым на фоне помех. Двугранные отражатели лишены этого недостатка, но имеют очень узкую диаграмму направленности в угломестной плоскости и потому предъявляют неоправданно высокие требования к точности регулировки и устойчивости конструкции.
С целью улучшения массогабаритных и энергетических характеристик отражателей используется усиление, модуляция и переизлучение сигнала. Известны активные отражатели с модуляцией сигнала, находящие применение и за пределами сферы доплеровских РЛС, например, «Активный отражатель радиолокационного сигнала» (RU 127483, опубликованный 21.09.1971 г. МПК G01W 1/14), в котором применяется фазовая манипуляция парафазными импульсами.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к полезной модели является устройство переизлучения сигналов, имитирующее доплеровский сдвиг частоты принимаемого сигнала от движущейся цели по патенту RU 65203, опубликованному 27.07.2007 г., содержащее основание и тонкостенную радиопрозрачную оболочку, выполнено в виде установленного на основании корпуса, в передней части которого расположена СВЧ-антенна, спереди защищенная тонкостенной радиопрозрачной оболочкой, волноводная часть СВЧ-антенны помещена внутри корпуса и снабжена на конце узлом развязки, выходы которого подключены к СВЧ-узлу, представляющему последовательно соединенные через волноводы аттенюатор, вентиль и количество управляемых фазовращателей, при этом управляющий вход каждого из управляемых фазовращателей электрически подключен к соответствующему выходу модулятора, управляемого с его входа через шину управления. Предлагаемый «Контрольный переизлучатель» обладает рядом различий по сравнению с устройством переизлучения сигналов по патенту №65203, обусловленных спецификой применения. Задачей устройства, предназначенного, в том числе, для проведения испытаний зенитных ракетных комплексов, является наиболее точная имитация сигналов от реальных движущихся целей, тогда как в устройстве переизлучения сигналов по патенту №65203 модуляция сигнала применяется лишь для обеспечения более эффективного обнаружения устройства радиолокатором, а приоритет при разработке сделан на снижении себестоимости и трудоемкости производства.
Недостатками прототипа является то, что устройство построено на волноводной линии, что неизбежно означает его сравнительно больший вес и себестоимость. Современные достижения в области миниатюризации СВЧ-техники позволяют применять более дешевые и технологичные коаксиальную (кабели) и копланарную (печатная плата) линии во всём диапазоне сантиметровых волн.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении или использовании полезной модели, является создание контрольного переизлучателя радиолокационных сигналов, имитирующего доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала, имеющего достаточно малые габариты и вес, позволяющие размещать его на мачте упрощенной конструкции.
Технический результат: уменьшение веса и габаритов при равной или большей эквивалентной площади рассеяния.
Для достижения технического результата контрольный переизлучатель радиолокационных сигналов, имитирующий доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала, содержащий корпус, цифровой фазовращатель, управляемый модулятором, и аттенюатор, согласно полезной модели, дополнительно содержит две микрополосковые антенны со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, закрепленные на торце корпуса, защищенные с одной стороны тонкостенными радиопрозрачными оболочками, а на задней стороне имеющие коаксиальные разъемы для подключения кабелей, СВЧ-тракт, включающий кабели и СВЧ-модуль, в состав которого входит ограничитель мощности в совокупности с фазовращателем, аттенюатором и усилителем, при этом в контрольном переизлучателе в качестве модулятора используют микроконтроллер, расположенный на плате управления, на которой в свою очередь также расположены многоразрядный переключатель для установки ослабления, который коммутирует подачу управляющих напряжений на аттенюатор, и многоразрядный переключатель, с помощью которого осуществляется выбор частоты фазовой модуляции с целью имитации необходимой частоты Доплера.
Применение двух антенн, за счёт большей (на 20-30 дБ, чем можно достигнуть с применением циркуляторов или поляризационных тройников) развязки, позволяет применить в устройстве большее усиление сигнала. Большее усиление позволяет добиться большей эквивалентной эффективной площади рассеяния при малом физическом размере антенн. Замена волноводной линии коаксиальной и копланарной позволяет значительно снизить вес устройства.
Техническая сущность устройства поясняется фигурами:
фиг. 1. - схема контрольного переизлучателя радиолокационных сигналов, имитирующего доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала;
фиг. 2. - графики: закон изменения фазы и управляющие сигналы цифрового фазовращателя, где
1 - корпус устройства;
2- приёмная микрополосковая антенна;
3 - передающая микрополосковая антенна;
4 - тонкостенные радиопрозрачные оболочки;
5 - кабели (коаксиальная линия);
6 - СВЧ-модуль (копланарная линия);
7 - ограничитель мощности;
8 - цифровой фазовращатель;
9 - аттенюатор;
10 - усилитель;
11 - плата питания и управления;
12 - микроконтроллер;
13 - многоразрядный переключатель для установки частоты Доплера;
14 - многоразрядный переключатель для установки ослабления.
Контрольный переизлучатель радиолокационных сигналов, имитирующий доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала содержит n-разрядный цифровой фазовращатель 8, управляемый модулятором (задачу которого выполняет микроконтроллер 12), аттенюатор 9, усилитель 10, две микрополосковые антенны 2 и 3 со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, закрепленные на торце корпуса 1, и СВЧ-тракт, включающий кабели (коаксиальную линию) 5 и СВЧ-модуль (копланарную линию) 6.
Две микрополосковые антенны 2, 3 полностью закрывают торец контрольного переизлучателя для минимизации площади поверхности, дающей паразитные отражения. Для большей развязки антенны устанавливаются повёрнутыми относительно друг друга на 90 вокруг оси распространения радиоволн для обеспечения взаимной перпендикулярности плоскостей поляризации. С передней стороны антенны защищены тонкостенными радиопрозрачными оболочками 4. На задней стороне антенны имеют коаксиальные разъемы для подключения кабелей 5. Микрополосковые антенны, примененные в устройстве, характеризуются шириной основного лепестка диаграммы направленности порядка 30°, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Это упрощает задачу ориентации антенн контрольного переизлучателя в направлении на РЛС: в горизонтальной плоскости наведение на РЛС можно осуществить по компасу, а в вертикальной, как правило, достаточно направить отражателя на горизонт. Сравнительно меньший коэффициент усиления таких антенн, а также потери сигнала вследствие того, что поляризация антенн линейная, компенсируется усилением сигнала в СВЧ-тракте. Для приёма и переизлучения сигналов с целью снижения номенклатуры деталей используются идентичные антенны. Обладая центральной симметрией, антенны позволяют устанавливать их повёрнутыми на 90° относительно друг друга, что увеличивает развязку между ними за счёт ортогональности плоскостей поляризации принимаемых и переизлучаемых сигналов.
Условия аэропорта характеризуются наличием в эфире большого количества мощных радиосигналов, что в совокупности с тем, что компоненты СВЧ-тракта контрольного переизлучателя могут быть достаточно широкополосными, создаёт риск выхода компоненты СВЧ-тракта из строя. Для предотвращения этого риска в СВЧ-тракт контрольного переизлучателя введен ограничитель мощности 7.
Имитация доплеровского сдвига частоты является частным случаем фазовой модуляции и достигается путем дискретного фазового сдвига сигнала, являющегося аппроксимацией линейного набега фазы . На фиг. 2 показан периодический закон изменения фазы сигнала четырехразрядным () цифровым фазовращателем. Типичный разрядный цифровой фазовращатель состоит из -количества фазовращателей, каждый из которых осуществляет сдвиг фазы на , что при их комбинировании позволяет получить сдвиг фазы в диапазоне от 0 до .
В контрольном переизлучателе сигналы управления фазовращателя 8 вырабатывает микроконтроллер 12. Выбор частоты  осуществляется с помощью многоразрядного переключателя 13. Разрядность переключателя 13 и тактовая частота микроконтроллера 12 определяется требованиями к точности имитируемой скорости цели. Использование микроконтроллера позволяет расширить возможности переизлучателя: при возникновении такой необходимости микроконтроллер может быть запрограммирован на более сложные режимы работы (переменная имитируемая скорость, изменение направления движения цели и т. д.), а назначение разрядов переключателя 13 - свободно переназначено.
При проведении контрольно-юстировочных работ РЛС в некоторых случаях может потребоваться размещение переизлучаетелей как вблизи РЛС (например, для контроля глиссады, 100-300 м), так и вдали от них (1000-1500 м). В первом случае усиление сигнала, осуществляемое переизлучателем, может оказаться избыточным и приводить к превышению динамического диапазона тракта приёма и обработки сигналов РЛС. Для предотвращения этой ситуации в СВЧ-тракт переизлучаетля введен цифровой аттенюатор 9. Установка необходимого ослабления сигнала осуществляется с помощью многоразрядного переключателя 14, который коммутирует подачу на аттенюатор управляющих напряжений.
С аттенюатора сигнал поступает на усилитель 10, после чего по кабелю сигнал поступает на антенну 3 и переизлучается.
На предприятии-изготовителе в рамках опытно-конструкторской работы разработана конструкторская документация заявляемой полезной модели, проведены теоретические расчеты энергетических параметров и симуляция работы антенн. Имеется заинтересованность со стороны отдельных потребителей в оснащении контрольными переизлучателями вновь разрабатываемых РЛС.
Таким образом, предлагаемая полезная модель может быть изготовлена и применена по своему прямому назначению для юстировки пространственного положения осей диаграмм направленности антенных систем импульсно-доплеровских РЛС, а также непрерывного контроля их работоспособности, что позволяет сделать вывод о соответствии ее критерию «промышленная применимость».