НЕПОДВИЖНАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА РЛС КРУГОВОГО ОБЗОРА

Предлагаемая неподвижная антенная система РЛС кругового обзора относится к области радиоэлектроники, в частности к конструкции невращающейся антенны РЛС сантиметрового диапазона с круговым обзором пространства.
Известны неподвижные антенные системы (АС), применяемые в РЛС кругового обзора пространства. В таких АС используют фазированные антенные решетки (ФАР), содержащие множество элементарных излучателей, работающих в требуемом диапазоне частот [1]. Излучатели в решетке образуют двухкоординатную матрицу, внешние контуры которой близки к прямоугольнику, окружности или многограннику. Матрицу излучателей размещают на плоской поверхности или на поверхности другой формы, в частности на поверхности цилиндра, сферы или усеченного конуса. Для обеспечения кругового обзора пространства неподвижные (невращающиеся) АС с плоскими ФАР снабжают несколькими ФАР, которые устанавливают на одном уровне по одной или нескольким горизонтальным окружностям. Каждая решетка обладает двухкоординатным сканированием и служит для обзора своего сегмента пространства (например, до 120° по азимуту, до 85° по углу места), а все решетки, в конечном итоге, обеспечивают для РЛС круговой обзор на 360°. Луч диаграммы направленности каждой решетки сформирован пространственным суммированием диаграмм элементарных излучателей. При этом апертура луча зависит от числа и взаимного размещения излучателей в строках и столбцах матрицы решетки, а положение луча в пространстве обзора зависит в итоге от фаз диаграмм элементарных излучателей. Излучатели при их большом числе фазируются индивидуально, в основном, с помощью цифрового кода, формируемого устройством управления на каждом зондировании РЛС. При определенном управлении можно осуществить круговой обзор пространства с достаточно широким углом места с помощью довольно узкого луча (с апертурой 1-1,5°). В известных неподвижных АС для кругового обзора пространства ФАР размещают, в основном, на сторонах многогранника или усеченной пирамиды так, чтобы каждая решетка в пространстве обеспечивала обзор определенного сектора по азимуту с определенным углом места. При этом каждая ФАР имеет некоторый наклон ее плоскости по отношению к горизонту, чтобы приподнять луч обзора над горизонтом и уменьшить влияние подстилающей поверхности на лучи ФАР у нижней кромки сегмента обзора. Азимутальные сектора обзора смежных ФАР могут иметь перекрытие, что учитывают затем при обработке сигналов.
Наиболее близкой по технической сущности и выполняемой функции к предлагаемой АС является неподвижная АС в радаре кругового обзора APAR голландского отделения фирмы «Thales Group» [2]. Эта система принята за прототип (см. фиг. 1). АС в радаре APAR содержит две ортогональные по размещению пары ФАР 1 (на фиг. 1 видно по одной ФАР из каждой пары) для кругового обзора пространства. ФАР в каждой паре расположены напротив друг друга так, что их излучатели направлены в противоположные стороны. Все ФАР 1 установлены на одном уровне на панелях 2 корпуса 3 под некоторым углом к горизонту. Этот угол обеспечен наклоном граней (панелей 2) корпуса 3, выполненного в виде усеченной пирамиды. Внутренний объем корпуса 3 служит для размещения электронной аппаратуры и электропитания для всех ФАР. Все ФАР 1 работают в сантиметровом диапазоне, обладают электронным сканированием луча диаграммы в двух плоскостях (в двух координатах) и обеспечивают каждая обзор в сегменте по азимуту до 120° и по углу места до 85°. В целом направление луча АС определяет устройство цифрового управления, которое управляет фазами излучателей. Все четыре ФАР 1 с учетом перекрытия секторов обзора обеспечивают для радара полный круговой обзор пространства. Такую неподвижную АС устанавливают стационарно на надстройках нескольких типов военных кораблей ряда зарубежных стран. Весит АС более 10 т, занимая площадь для монтажа 15-20 кв. метров (в зависимости от модификации).
Известная АС имеет недостатки:
- конструкция АС достаточно объемна, требует значительной площади для размещения на специальной надстройке корабля. Такую АС из-за объемной конструктивной компоновки нельзя применить в возимых сухопутных системах, что сокращает область применения АС;
- конструкция АС имеет весьма слабую преемственность с уже разработанными механически вращающимися АС для РЛС кругового обзора, в которых на опоре-мачте установлена одна или две вращающихся ФАР с электронным сканированием луча по углу места. Это затрудняет на основе имеющихся технических решений проектировать, изготавливать и внедрять неподвижные (невращающиеся) АС (с несколькими ФАР), которые обеспечили бы значительное улучшение характеристик станций как для морских, так и для сухопутных носителей.
Сущность предлагаемой неподвижной антенной системы РЛС кругового обзора заключается в том, что она содержит две ортогонально расположенные разнесенные по вертикали пары ФАР, обеспечивающие двухкоординатный круговой обзор пространства, причем ФАР в каждой паре расположены на одном уровне напротив друг друга, их излучатели направлены в противоположные стороны, а плоскости установки излучателей находятся под некоторым углом к горизонту. При этом каждая ФАР в паре установлена в индивидуальном корпусе. Отличается тем, что разнесенные по вертикали корпуса каждой пары закреплены неподвижно на одной вертикальной невращающейся опоре-мачте. Кроме того, для удобства транспортирования в возимых сухопутных системах опора-мачта может иметь два механических узла. Первый узел - для поворота верхней пары ФАР и установки ее в положение, копланарное с нижней парой. Второй узел - для складывания всей конструкции с копланарно расположенными парами в горизонтальное положение для укладки на подвижном сухопутном транспортном средстве. Также для изменения дальности обзора за счет высоты установки АС опора-мачта в нижней части может иметь телескопическую конструкцию.
Предлагаемую АС полезно применять для построения высоко автоматизированных адаптивных РЛС программного кругового обзора, предназначенных для обнаружения и сопровождения различного класса целей, в том числе малоразмерных и скоростных в условиях сложной помеховой обстановки. РЛС с такой АС может быть применена как для морских, так и для сухопутных носителей.
Такая неподвижная антенная система РЛС кругового обзора позволяет достичь следующих технических результатов:
- сократить площадь под установку АС, закрепив разнесенные по высоте корпуса пар ФАР на невращающейся опоре-мачте, снабженной специальными узлами укладки АС для танспортирования на сухопутных носителях и узлами для изменения высоты установки АС. Это повышает эффективность применения АС как в морских, так и в сухопутных возимых РЛС;
- конструкция АС облегчает для каждой ФАР доступ к монтажу всех типов сигналов (цифровых, аналоговых) и питания, которые традиционно (как во вращающихся АС) могут быть подведены с тыльной стороны индивидуального корпуса, в котором установлена ФАР. Это сокращает потери времени в эксплуатационных условиях при ремонте и профилактике АС;
- конструкция АС имеет преемственность с механически вращающейся АС кругового обзора, в которой применены одна или две ФАР с электронным сканированием луча. Это на основе имеющихся технических решений сократит время для проектирования, изготовления и внедрения неподвижных (невращающихся) АС кругового обзора с целью их применения в РЛС для значительного улучшения характеристик станции.
Сущность предлагаемой АС поясняется фиг. 2.
АС содержит две ортогонально расположенные пары ФАР 1 с двухкоординатным сканированием, установленные наклонно на панелях 2 корпусов 3, по одному корпусу для каждой ФАР. На фиг. 2 видны по одной ФАР из каждой пары; внешний контур каждой ФАР показан в виде окружности, но может быть другой формы; соотношение размеров на чертеже условно. Излучатели ФАР 1 в каждой паре направлены в противоположные стороны, а сами пары развернуты на 90° по отношению друг к другу и разнесены по вертикали. Корпуса 3 пар ФАР 1 закреплены попарно неподвижно на вертикальной опоре-мачте 4 напротив друг друга. На фиг. 2 опора-мачта 4 условно показана круглого сечения, но, при необходимости, может иметь любое другое. Опора-мачта 4 в промежутке между корпусами 3 каждой пары может иметь механический узел 5 разворота корпусов 3 верхней пары ФАР 1 в копланарное положение с корпусами 3 нижней пары. Опора-мачта 4 в нижней части (под нижней парой ФАР 1) может иметь механический узел 6 для складывания конструкции в горизонтальное положение, когда пары копланарны. Механические узлы 5 и 6 - технологические и служат для удобства укладки и транспортирования АС на сухопутном носителе. Кроме того, опора-мачта в нижней части может иметь телескопический узел 7 для изменения высоты установки АС.
На фиг. 1 и фиг. 2 введены следующие обозначения:
1 - ФАР;
2 - панель крепления ФАР;
3 - корпус для установки и монтажа ФАР;
4 - опора-мачта для крепления корпусов 3;
5 - узел поворота верхней пары ФАР;
6 - узел складывания опоры-мачты 4 в горизонтальное положение;
7 - телескопический узел для изменения высоты установки АС.
В целом предлагаемая неподвижная антенная система РЛС кругового обзора обеспечивает с помощью двух ортогональных пар ФАР 1 круговой обзор пространства. Каждая ФАР 1 обладает двухкоординатным сканированием и служит для обзора своего сегмента пространства (не менее четверти общего поля обзора). Размещение пар ФАР на опоре-мачте 4 позволяет использовать АС в РЛС как для корабельных, так и сухопутных носителей, т.к. опора-мачта в этом случае имеет сравнительно небольшую площадь для установки и не испытывает перегрузки от вращения ФАР, поскольку они неподвижны. Смежные азимутальные сектора обзора ФАР могут иметь перекрытие, что учитывают при обработке сигналов. Физическое смещение пар ФАР 1 по вертикали может быть скорректировано управлением или обработкой сигналов, к тому же, начиная с определенных дальностей обнаружения, смещение перестает влиять. Укладку АС на сухопутном носителе при транспортировании обеспечивают узлы 5 и 6 в опоре-мачте 4. Узел 5 размещен между корпусами 3 верхней и нижней пары ФАР 1 и служит для поворота верхней пары ФАР 1 в положение, копланарное положению нижней пары. Узел 6 размещен под корпусами 3 нижней пары ФАР и служит для складывания копланарно расположенных пар ФАР в горизонтальном направлении. Для изменения высоты установки АС, т.е. для возможности увеличения дальности обзора, опора-мачта 4 в своей нижней части (под нижней парой ФАР 1, под узлом 6) может иметь телескопический узел 7. Пространство между корпусами 3 каждой пары обеспечивает индивидуальный доступ с тыльной стороны любого корпуса 3 к монтажу каждой ФАР, что упрощает ремонт и профилактику АС при эксплуатации, сокращая время на эти операции. В целом предлагаемая АС имеет высокую степень преемственности с разработанными вращающимися АС с одной или двумя ФАР, установленными на опорах-мачтах. Это относится к конструкции опоры-мачты (с упрощением за счет удаления сложного устройства вращения), к конструкции крепления корпусов ФАР на опоре-мачте, к узлам складывания и поворота, к телескопической конструкции и к механическому и проводному монтажу целого ряда узлов АС, в том числе самих ФАР. Естественно, что необходима разработка новых схем и чертежей, но общие принципы и конструкцию ряда узлов можно сохранить, что ускорит проектирование и изготовление предлагаемой АС.
Предлагаемая АС позволяет применять ее в морских и сухопутных РЛС, т.е. обладает универсальностью применения, обеспечивает сокращение времени на ремонт и регламентные работы в процессе эксплуатации на 15-20%, позволяет за счет преемственности конструкции применить для проектирования как минимум 20% готовых чертежей. Использование невращающейся АС в РЛС кругового обзора вместо вращающейся позволит устранить в РЛС потери, связанные с механическим вращением ФАР, на 25-30 дб, что существенно.
В АО «ВНИИРТ» разработаны несколько типов серийных РЛС с вращающимися АС на основе ФАР с установкой АС на опоре-мачте [3]. Это, как указывалось выше, позволяет заимствовать конструктивные и схемные решения для построения предлагаемой АС. Кроме того, известна разработка отечественного модуля ФАР с матрицей излучателей 8×8 [4]. Модуль обеспечивает электронное сканирование в двух плоскостях с помощью цифрового управления. На основе такого модуля можно проектировать ФАР с числом излучателей не менее 1000, комплексируя в одной ФАР несколько модулей. Приведенные выше сведения свидетельствуют в пользу осуществления предложенной полезной модели.
Источники информации
1. С. Дингес, Н. Егоров, В. Кочемасов. ФАР с цифровыми вычислительными синтезаторами // Электроника, №1 (00132), 2014 г., стр. 160-166.
2. https://www.thalesgroup.com/en/worldwide/defence/apar-active-phased-array-multifunction-radar.
3. http://foto-i-mir.ru/podlet-rls. Радиолокационная станция 48Я6-К1 «ПОДЛЕТ» на форуме АРМИЯ-2015.
4. НИОКР «Траектория 2.3», АО «НПК «ТРИСТАН», 2010 г.