АНТЕННО-ФИДЕРНОЕ УСТРОЙСТВО
ANTENNA-FEEDER ARRANGEMENT

Изобретение относится к радиотехнике сверхвысоких частот и может быть использовано, в частности, во вторичных радиолокаторах (ВРЛ) систем управления воздушным движением и в радиолокационных системах государственного опознавания (ГО).
В этих системах запросно-ответный канал использует суммарную диаграмму направленности (ДН), а для подавления (компенсации) боковых лепестков в режиме запроса и в режиме ответа применяют разностные ДН, хотя допустимы широкие ДН от отдельных антенн.
Известны параметры антенн, применяемых в системах государственного опознавания («Соглашение о стандартизации» НАТО Stanag 4193, часть I, часть III; Савицкий В.И. «Автоматизированные системы управления воздушным движением», М.: Транспорт, 1986; Давыдов П.С. «Авиационная радиолокация», М.: Транспорт, 1984). Реализация антенн отличается по конструктивным, технологическим и схемным решениям. В некоторых случаях на антенном посту радиолокационной станции (РЛС), кроме антенны ГО, необходимо разместить ответчик опознавания, для которого требуется дополнительный канал. Для обеспечения трехканальной схемы построения антенно-фидерного устройства применяют двухканальную или одноканальную схему с переключателями. При этом увеличиваются потери мощности в каналах (на величину потерь в переключателе). Кроме того, переключатель требует дополнительного питания и обслуживания. Во многих случаях антенны выполнены на печатных вибраторах с делителем типа «елочка» на симметричной полосковой линии и находятся под радиопрозрачным укрытием, требующим для его закрепления рамы (фланца). Все это приводит к увеличению массы антенны, дополнительным ветровым нагрузкам, создает затруднения с размещением их в РЛС.
Известна линейная антенная решетка (патент РФ №2296400, опубл. 27.03.2007), не имеющая этих недостатков. Линейная решетка выполнена в виде ряда вибраторных излучателей, размещенных на распределительной системе, выполненной на жесткой коаксиальной линии. Для обеспечения формирования разностной ДН к точкам ответвления распределительной системы подключен отрезок жесткой коаксиальной линии, образующий совместно с четвертьволновыми трансформаторами кольцевой мост, к которому подключен разъем, обеспечивающий противофазное возбуждение половин линейной антенной решетки. Недостатком этой антенной решетки является то, что она формирует две ДН и имеет только один канал для подавления боковых лепестков.
Известен моноимпульсный радиолокатор (патент РФ №2122218, опубл. 20.11.1998), содержащий антенну, формирующую три ДН (одну суммарного канала и две разностных каналов), два высокочастотных тракта, смесители, гетеродин, усилители промежуточной частоты, фазовый детектор, узел автоматической подстройки фазы, фазовый детектор, управляемые фазовращатели, генератор контрольного сигнала, переключатели прием-передача и формирователь координатного строба контрольного ответчика. Антенна выполнена в виде линейной решетки, содержащей 2N+1 излучателей, делители мощности и направленные ответвители. В суммарный канал входят все излучатели (2N+1). Центральный вибратор, входящий в суммарный канал, дополнительно запитывается в противофазе с суммарным каналом, образуя разностный канал. Из широкой ДН одного излучателя вычитается суммарная ДН антенны (канал подавления). Оставшиеся плечи антенны запитываются в противофазе, образуя еще одну разностную ДН. В результате антенна имеет два разностных канала и один суммарный. В устройстве используется сложная система запитки излучателей, вследствие чего усложняется изготовление и обслуживание, а также увеличивается стоимость антенного устройства.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является антенна (патент РФ №2316859, опубл. 10.02.2006), содержащая распределительную систему с подключенным к ее середине суммарным входом, выполненную на жесткой коаксиальной линии, и вибраторные излучатели. К ближайшим к середине распределительной системы вибраторным излучателям подключен отрезок жесткой коаксиальной линии, который совместно с четвертьволновыми отрезками, соединяющими суммарный вход с вибраторными излучателями, образует кольцевой мост. К кольцевому мосту на расстоянии в одну четверть длины волны от первого излучателя и в три четверти длины волны от второго излучателя подключен первый разностный вход. Симметрично первому разностному входу подключен второй разностный вход.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение арсенала технических средств указанного назначения с одновременным улучшением эксплуатационных характеристик, в частности создание антенно-фидерного устройства с одной антенной, которая формирует одну разностную ДН, обеспечивающего оба канала подавления (компенсации) боковых лепестков на прием и на передачу.
Техническим результатом при реализации предлагаемого изобретения является обеспечение трехканального построения радиолокаторов систем управления воздушным движением и ГО с одновременным уменьшением количества высокочастотных трактов и вращающихся сочленений при работе систем на разных частотах по запросу и ответу, подавление боковых лепестков, уменьшение массогабаритных характеристик, ветровых нагрузок и снижение себестоимости антенно-фидерного устройства.
Влияние на достижение указанных технических результатов оказывают нижеприведенные отличительные признаки. Антенно-фидерное устройство содержит линейную антенну, состоящую из распределительной системы с подключенным к ее середине суммарным входом, выполненную на жесткой коаксиальной линии, и системы излучателей, подключенных к распределительной системе с шагом, равным λ/2, где λ - длина волны. На два ближайших к середине распределительной системы излучателя в местах подключения их к распределительной системе подключен отрезок жесткой коаксиальной линии, длина которого Nλ, где N - любое целое число, который совместно с четвертьволновыми отрезками жесткой коаксиальной линии, соединяющими суммарный вход с указанными излучателями, образует кольцевой мост. Кольцевой мост содержит разностный вход, который расположен на расстоянии nλ/4 от первого из указанных излучателей, где n - любое целое нечетное число, причем nλ/4<N. В антенно-фидерное устройство введено двухканальное вращающееся сочленение, фидерный тракт суммарного канала, снабженный антенным переключателем, фидерный тракт разностного канала и циркулятор. Суммарный вход линейной антенны через фидерный тракт суммарного канала, проходящий через двухканальное вращающееся сочленение, соединен с передатчиком и/или приемником. Разностный вход линейной антенны через фидерный тракт разностного канала, проходящий через двухканальное вращающееся сочленение, соединен с первым входом-выходом циркулятора. Второй выход циркулятора соединен с приемником, второй вход циркулятора соединен с передатчиком. Распределительная система линейной антенны представляет собой каскадное соединение коаксиальных тройниковых разветвителей, а внутренний стержень жесткой коаксиальной линии состоит из четвертьволновых отрезков, волновое сопротивление которых определено из условий обеспечения требуемого распределения мощности между излучателями и согласования с волновым сопротивлением суммарного входа. Система излучателей выполнена в виде ряда вибраторных излучателей либо в виде ряда столбцов вибраторных излучателей.
Введение циркулятора в фидерный тракт разностного канала антенно-фидерного устройства обеспечивает формирование трех каналов: одного суммарного (запрос-ответ) и двух разностных для подавления боковых лепестков. Разностные каналы используются на разных частотах: один в режиме на передачу, а другой в режиме на прием. Циркулятор предлагается разместить вблизи от приемо-передающего устройства ВРЛ или системы ГО, первый вход-выход его подключить через фидерный тракт разностного канала к разностному входу линейной антенны, второй выход - к приемнику, второй вход - к передатчику. Введение циркулятора, размещенного перед приемо-передающим устройством, дает возможность обеспечить одной линейной антенной, формирующей одну разностную ДН, оба канала подавления (компенсации) боковых лепестков (на прием и передачу). Поскольку запрос и ответ осуществляются на разных частотах, то принятый линейной антенной сигнал не делится на два, коэффициент усиления разностного канала линейной антенны на прием остается таким же, как в одноканальном варианте. То же происходит при работе антенны на передачу (по запросу). Это обеспечивает повышение уровня пересечения разностной и суммарной ДН при моноимпульсной обработке сигнала на 3 дБ. Такое построение позволяет обходиться двумя высокочастотными фидерными трактами при любых распределителях, имеющих два плеча от середины: одним высокочастотным фидерным трактом с одним вращающимся сочленением на оба канала подавления лепестков и одним суммарным запросно-ответным каналом, как при распределителе типа «елочка», так и при распределителе на «бегущей волне». Это упрощает конструирование всего антенно-фидерного устройства в том случае, когда оно содержит в себе первичный канал обнаружения и вторичные каналы на двух диапазонах. В этом случае через отверстие во вращающемся сочленении первичного радиолокатора надо пропустить лишь четыре кабеля высокочастотного фидерного тракта вторичных каналов вместо шести, что позволяет уменьшить массогабаритные характеристики и снизить себестоимость антенно-фидерного устройства. Кроме того, размещение циркулятора в помещении перед приемо-передающим устройством обеспечивает работу циркулятора в благоприятных условиях без больших перепадов температуры.
На фиг.1 приведена схема построения антенно-фидерного устройства, на фиг.2 показана схема построения линейной антенны.
Антенно-фидерное устройство содержит линейную антенну 1, выполненную в виде ряда вибраторных излучателей 2 либо в виде ряда столбцов вибраторных излучателей 2, расположенных с шагом, равным λ/2 (где λ - длина волны в воздухе и в воздушной коаксиальной линии), на корпусе распределительной системы 3. К распределительной системе 3 в точках 6 подключены вибраторные излучатели, ближайшие к ее середине, а в точках 7 - вибраторные излучатели, отдаленные от середины распределительной системы 3. Распределительная система 3 представляет собой каскадное соединение коаксиальных тройниковых разветвителей. Внутренний стержень 4 жесткой коаксиальной линии состоит из четвертьволновых отрезков, волновое сопротивление которых определено из условий обеспечения требуемого (квазиоптимального) распределения мощности между вибраторными излучателями 2 и согласования с волновым сопротивлением суммарного входа (Σ), подключенного к середине распределительной системы 3 в точке 8, расположенной в центре распределительной системы 3 и разъема суммарного входа Σ соответственно. В точках 6 ответвления распределительной системы 3 на ближайшие к ее середине вибраторные излучатели 2 подключен отрезок жесткой коаксиальной линии АБВГ, длина которого Nλ, где N - любое целое число, образующий совместно с четвертьволновыми отрезками жесткой коаксиальной линии АО и ОГ (четвертьволновыми трансформаторами), соединяющими подключенный к середине распределительной системы 3 разъем суммарного входа Σ с указанными вибраторными излучателями, кольцевой мост 5 произвольной, в частности прямоугольной, формы. К кольцевому мосту 5 подключен разъем разностного входа (Δ), выполненный в виде 50-омного или 75-омного разъема, который расположен на расстоянии nλ/4 от первого из указанных вибраторных излучателей, где n - любое целое нечетное число, причем nλ/4<N. Суммарный вход Σ линейной антенны 1 через фидерный тракт 10 суммарного канала, проходящий через двухканальное вращающееся сочленение 9, соединен с передатчиком и/или приемником ВРЛ или системы ГО. Фидерный тракт 10 суммарного канала снабжен антенным переключателем 11 (коммутирующее устройство для переключения общей антенны от передатчика к приемнику и обратно). Разностный вход Δ линейной антенны 1 через фидерный тракт 12 разностного канала, проходящий через двухканальное вращающееся сочленение 9, соединен с первым входом-выходом циркулятора 13. Второй выход циркулятора 13 соединен с приемником ВРЛ или системы ГО. Второй вход циркулятора 13 соединен с передатчиком ВРЛ или системы ГО.
В предлагаемом изобретении может быть использован коаксиальный циркулятор ФКЦН 3-6, разработчиком и изготовителем которого является ОАО «НИИ «Феррит-Домен», г.Санкт-Петербург.
Предлагаемое антенно-фидерное устройство, содержащее одну линейную антенну, обеспечивает работу запросно-ответного канала одной суммарной ДН и двух каналов подавления боковых лепестков одной разностной ДН.
На всех объектах систем воздушного движения установлены ответчики. При обнаружении объектов первичным радиолокатором запрашивается принадлежность «свой-чужой» и другие сведения. Передатчик ВРЛ или системы ГО посылает сложный кодированный сигнал, содержащий два синхроимпульса, между которыми по разностному каналу подавления боковых лепестков через циркулятор 13 уходят два импульса. Сложный кодированный сигнал через фидерный тракт суммарного канала 10 и линейную антенну 1 излучается в пространство. Все ответчики на досягаемых объектах принимают этот сложный сигнал. При этом происходит сравнение уровня синхроимпульсов, прошедших по запросному суммарному каналу, с уровнем импульсов, прошедших по разностному каналу подавления боковых лепестков. Если уровень синхроимпульсов выше уровня импульсов канала подавления боковых лепестков, то ответчик объекта отвечает и сообщает свои данные. Если уровень синхроимпульсов ниже уровня импульсов канала подавления боковых лепестков, то ответчики не отвечают. Сигнал ответа запрашиваемого объекта принимается линейной антенной 1, затем через фидерный тракт разностного канала 12 и циркулятор 13 поступает в приемник ВРЛ или системы ГО и обрабатывается. У разностного канала подавления боковых лепестков ДН такова, что коэффициент усиления (КУ) в ней больше (не менее чем на 3 дБ), чем в боковых лепестках суммарного канала, кроме направления главного луча, где КУ в луче больше (не менее чем на 9 дБ), чем в разностном канале подавления боковых лепестков. Если по каким-то обстоятельствам состоится ответ с боковых направлений, то сигналы, прошедшие по суммарному каналу на прием и по разностному каналу через циркулятор 13, в приемнике исключаются при обработке (сравнением по дальности в канале обнаружения). Предложенная схема построения антенно-фидерного устройства обеспечивает подавление лепестков по запросу (на передачу) и ответу (на прием) введением циркулятора 13 и использованием одного фидерного тракта 12 на один разностный вход Δ линейной антенны 1.
В корабельных РЛС без электромеханической стабилизации антенного поста (с нестабилизированным антенным постом) приходится обеспечивать широкую ДН антенны ГО в вертикальной плоскости для перекрытия необходимой зоны обзора при качках корабля и, соответственно, применять антенно-фидерное устройство, содержащее одну линейную антенну. В этом случае для повышения коэффициента усиления антенны ГО может быть увеличен только горизонтальный размер антенны. Для наземных и корабельных РЛС с электромеханической стабилизацией антенного поста может быть увеличен вертикальный размер антенны, сформирована косекансная ДН посредством замены вибраторных излучателей столбцами вибраторных излучателей с косекансной ДН, перекрывающей необходимую зону обзора.