АНТЕННА ПОЛИГОНА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦЕЛЕЙ В ЗОНЕ ФРЕНЕЛЯ
ANTENNA OF POLYGON FOR MEASURING RADAR CHARACTERISTICS OF TARGETS IN FRESNEL ZONE

Изобретение относится к антенной технике, именно к коллиматорным антеннам. Преимущественная область применения изобретения в качестве приемно-передающей антенны закрытых полигонов, предназначенных для измерения в ближней зоне (зоне Френеля) статических радиолокационных характеристик (РЛХ) целей: амплитуды, фазы и поляризации поля вторичного излучения, которые, описываются комплексными элементами (КЭ) матрицы рассеяния с абсолютной фазой цели (МРА). Для измерения РЛХ в ближней зоне антенны должен быть сформирован плоский фронт поля излучения с однородной амплитудой, в пределах апертуры цели, для этого используются коллиматорные антенны: линзовые или рупорно-параболические.
Известна линзовая антенна, на апертуре которой и ближней зоне формируется плоский фронт поля излучения, при этом амплитудное распределение неоднородное и определяется диаграммой направленности облучателя линзы, которое спадает от оси линзы к ее краям [1]. Коэффициент использования апертур линзовых антенн не превышает 0,3-0,5 диаметра линзы и зависит от допустимой амплитудной неоднородности поля, которая приводит к погрешности измерения РЛХ. Кроме того, продольный размер линзовых антенн зависит от фокусного расстояния линзы, которое составляет десятки и сотни рабочих длин волн, поэтому линзовая антенна занимает не менее трети площади безэховой камеры, в которой размещен полигон.
Общим признаком аналога и изобретения является облучатель (излучатель).
Известна рупорно-параболическая антенна (РПА), принятая за прототип изобретения, которая в пределах апертуры создает плоский фронт поля, при этом амплитудное распределение неоднородное, определяется диаграммой направленности облучателя параболоида, которое спадает от оси антенны к краям параболоида [2]. Коэффициент использования апертур РПА не превышает 0,3-0,5 размера раскрыва параболоида и зависит от допустимой амплитудной неоднородности поля, которая приводит к погрешности измерения РЛХ. Кроме того, продольный размер РПА зависит от фокусного расстоянием параболоида, которое составляет десятки и сотни рабочих длин волн, поэтому РПА занимает не менее трети площади безэховой камеры, в которой размещен полигон.
Общим признаком прототипа и изобретения является облучатель (излучатель).
Техническим результатом изобретения является увеличение коэффициента использования апертуры приемно-передающей антенны до 0,9 и более за счет выполнения антенны в виде фазированной антенной решетки (ФАР) и уменьшение занимаемой антенной площади безэховой камеры (БЭК), в которой размещен полигон, т.к. продольный размер ФАР определяется ее толщиной, которая составляет 3-5 рабочих длин волн.
ФАР называется антенное устройство, состоящее из N каналов излучателей (N от нескольких единиц до нескольких тысяч), каждый из которых способен излучать в пространство и принимать из него радиосигналы [3].
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена структурная схема ФАР, на которой введены обозначения: 1 - система из N ответвителей; 2 - первый коммутатор; 3 - второй коммутатор; 4 - третий коммутатор; 5 - циркуляторы; 6 - переменные аттенюаторы (Ат); 7 - фазовращатели (ФВ); 8 - излучатель вертикальной Е поляризации; 9 - излучатель горизонтальной Н поляризации; 10 - первый смеситель частоты сигналов; 11 - второй смеситель частоты сигналов; 12 - третий смеситель частоты сигналов, 13 - четвертый смеситель частоты сигналов.
На фиг. 2 представлен вид на апертуру плоской 36-канальной ФАР (N=36), на которой вертикальными черточками обозначены излучатели вертикальной Е поляризации, горизонтальными - излучатели горизонтальной Н поляризации, причем соседние излучатели имеют ортогональные поляризации.
На фиг. 3 представлен вариант структурной схемы радиоизмерительной аппаратуры (РИА), обеспечивающий реализацию изобретения, на которой введены обозначения: 14 - генератор сигналов опорной частоты (ГО); 15 - смеситель частоты сигналов (См); 16 - генератор сигналов сверхвысокой частотны (СВЧ) (Г); 17 - фильтр сигналов СВЧ (ФВЧ); 18 - усилитель мощности СВЧ-сигнала (УМ); 19 - импульсный амплитудный модулятор (ИМ); 20 - генератор прямоугольных импульсов (ГИ); 21 - приемник сигналов при облучении цели полем Е поляризации и параллельном приеме поля вторичного излучения цели; 22 - приемник сигналов при облучении цели полем Е поляризации и ортогональном приеме поля вторичного излучения цели; 23 - приемник сигналов при облучении цели полем Н поляризации и ортогональном приеме поля вторичного излучения цели; 24 - приемник сигналов при облучении цели полем Н поляризации и параллельном приеме поля вторичного излучения цели.
Генератор сигналов опорной частоты (ГО) 14 выполнен стабилизированным с частотой сигнала f (МГц), равной промежуточной частоте радиоизмерительной установки.
Смеситель (См) 15 предназначен для преобразования сигнала генератора (Г) 16 частотой F (ГГц) и сигнала опорного генератора 1 частотой f (МГц) в частоту F+f (ГГц) зондирующего сигнала.
Генератор сигналов (Г) 16 предназначен для генерации монохроматических сверхвысокочастотных (СВЧ) электрических колебаний F (ГГц).
Фильтр сигналов СВЧ (ФВЧ) 17 предназначен для фильтрации частоты зондирующих импульсов (F+f), образованной на выходе смесителя (См) 15.
Усилитель мощности СВЧ-сигнала (УМ) 18 может быть выполнен на лампе бегущей волны.
Импульсный модулятор (ИМ) 19 предназначен для амплитудной модуляции усилителя мощности (УМ) 18 сигнала с частотой (F+f), короткими прямоугольными импульсами.
Генератор прямоугольных импульсов (ГИ) 20 генерирует короткие прямоугольные импульсы, доли мкс, со скважностью Т больше времени t, необходимого для прохождения зондирующим импульсом расстояния от апертуры ФАР до цели и обратно.
Технический результат изобретения достигается за счет применения, в качестве приемно-передающей антенны полигона, фазированной антенной решетки (ФАР). Плоский фронт поля с однородной амплитудой в ближней зоне ФАР с синфазными излучателями и одинаковыми амплитудами излучений, в соответствии принципом Гюйгенса-Френеля, формируется в дальней зоне излучателей и ближней зоне ФАР.
Антенна полигона для измерения радиолокационных характеристик целей в зоне Френеля выполнена в виде фазированной антенной решетки (ФАР), содержит (фиг. 1): систему 1 ответвителей с входом и N выходами, N - четное число больше 6, N первых коммутаторов сигналов 2 и N каналов передачи сигналов, в которые входят N вторых коммутаторов 3, N третьих коммутаторов 4, N первых смесителей 10, N вторых смесителей 11, N третьих смесителей 12, N четвертых смесителей 13, 2N циркуляторов 5, 2N переменных аттенюаторов 6, 2N фазовращателей 7, 2N излучателей.
Каждый канал состоит из двух субканалов вертикальной Е и горизонтальной Н поляризации излучений.
В субканал Е входят: второй коммутатор 3, первый 10 и второй 11 смесители частот и последовательно соединенные первый выход циркулятора 5, переменный аттенюатор 6, фазовращатель 7 и излучатель вертикальной поляризаций 8.
В субканал Н входят: третий коммутатор 4, третий 12 и четвертый 13 смесители частот и последовательно соединенные первый выход циркулятора 5, второй переменный аттенюатор 6, второй фазовращатель 7, излучатель горизонтальной поляризаций 9.
Коммутаторы 2, 3 и 4 имеют два неподвижных и один подвижный контакт, подвижный контакт первых коммутаторов 2 соединен с одним выходом системы 1 ответвителей.
Неподвижный контакт первых коммутаторов 2 соединен с входом субканалов Е, которым является вход циркуляторов 5, второй выход циркуляторов соединен с подвижным контактом вторых коммутаторов 3, один неподвижный контакт которых соединен с входом первых смесителей 10, а второй - с входом вторых смесителей 11.
Другой неподвижный контакт первых коммутаторов 2 соединен с входом субканалов Н, которым является вход вторых циркуляторов 5, второй выход циркуляторов 5 соединен с подвижными контактами третьих коммутаторов 4, один неподвижный контакт которых соединен с входом третьих смесителей 12, а четвертый - с входом четвертых смесителей 13.
N ответвителей системы 1 (соединены последовательно или параллельно), которые предназначены для разводки СВЧ-сигналов по каналам и субканалам ФАР. Система 1 имеет вход СВЧ-сигнала и N выходов и может быть выполнена на волноводе или коаксиальном кабеле с отводами.
Первый коммутатор 2 предназначен для переключения режимов излучения ФАР вертикальной Е или горизонтальной Н линейной поляризации и может быть выполнен электронным.
Второй коммутатор 3 предназначен для включения первого 10 или второго 11 смесителя в зависимости от излучения ФАР вертикальной Е или горизонтальной Н поляризации, выполнен как первый коммутатор 2.
Третий коммутатор 4 предназначен для включения третьего 12 или четвертого 13 смесителя в зависимости от излучения ФАР вертикальной Е или горизонтальной Н поляризации, выполнен как первый коммутатор 2.
Циркуляторы 5 предназначены для разделения излучаемых СВЧ-сигналов от принимаемых [3].
Переменные аттенюаторы 6 предназначены для выравнивания амплитуд излучений излучателей Е и Н поляризаций. Аттенюаторы выполнены электронно-управляемые на транзисторах [3].
Фазовращатели 7 предназначены для выравнивания фаз излучений излучателей Е и Н поляризаций, выполнены электронно-управляемыми на транзисторах [3].
Излучатели предназначены для создания в зоне Френеля ФАР плоского фронта поля однородного по амплитуде и могут быть выполненными в виде волноводных рупоров Е и Н поляризаций.
11
12
12
22
Смесители 10, 11, 12 и 13 предназначены для преобразования принимаемых СВЧ-сигналов частотой F+f в сигналы промежуточной частоты f и являются выходами сигналов ФАР, несущих информацию об амплитудах, фазах и поляризации поля вторичного излучения цели при их соответственно параллельном и ортогональном приемах в линейном поляризационном базисе, которые соответствуют комплексным элементам (КЭ) матрицы рассеяния с абсолютной фазой (МРА) цели: КЭ - М; КЭ - M; КЭ - М и КЭ - М. С выходов смесителей 11 и 13 сигналы поступают на соответствующие входы приемников 21-24 (фиг. 3). Выходы одноименных смесителей 10, 11, 12 и 13N каналов соединены между собой кабелями одинаковой электрической длины.
Для уменьшения фазовых погрешностей измерения входы приемников соединены с выходами разных смесителей кабелями одинаковой электрической длины.
На основании принципа взаимности антенн плоская ФАР выполняет функцию коллиматорной антенны, позволяет измерять статические РЛХ, которые описываются матрицей рассеяния с абсолютной фазой цели (МРА), в ближней зоне ФАР, в которой формируется поле с плоским фазовым фронтом и однородной амплитудой.
Математически МРА записывается [4] в виде:
1,2
1,2
где σ·expjβ - комплексные элементы матрицы (КЭ) МРА;
11
22
12
σ, σ и σ - эффективная площадь рассеяния (ЭПР) цели при параллельном и ортогональном приеме в линейном поляризационном базисе;
11
22
12
β, β и β - абсолютные фазы цели при параллельном и ортогональном приеме;
11
22
12
- знак квадратного корня из значений σ, σ и σ.
В каждой строке излучателей апертуры ФАР два соседних излучателя, с ортогональными поляризациями образуют приемно-передающий модуль, который обеспечивает измерение всех комплексных элементов (КЭ) матрицы рассеяния с абсолютной фазой цели (МРА) (фиг. 2). Выходы всех модулей соединены кабелями одинаковой электрической дины.
В соответствии с равенством (1) уравнения измерения КЭ МРА записываются в виде:
Измерение КЭ MP неподвижной цели производят построчно и последовательно.
Первую пару КЭ МРА уравнений измерения измеряют при излучении ФАР, Е поляризации и приеме Е и Н поляризаций поля вторичного излучения цели всеми излучателями. В этом случае подвижные контакты всех первых коммутаторов 2 каналов соединены с входами субблоков Е поляризации. Подвижный контакт второго переключателя 3 соединен с входом смесителя 10, а подвижный контакт третьего переключателя 4 соединен с входом смесителя 12.
Вторую пару КЭ МРА уравнений измерения измеряют при излучении ФАР Н поляризации и приеме Е и Н поляризаций поля вторичного излучения цели. В этом случае подвижные контакты всех первых коммутаторов 2 каналов соединены с входами субблоков Н поляризации. Подвижные контакты вторых переключателей соединены со входами смесителей 11, а подвижный контакт третьего переключателя 4 соединен с входом смесителя 13.
12
КЭ M измеряются дважды, что позволяет оценить погрешность измерения РЛХ путем сравнения их значений на Е и Н поляризациях излучений ФАР.
При необходимости измерения диаграмм ЭПР цель вращают в азимутальной плоскости, измерение всех КЭ МРА должны производиться одновременно, что физически нереализуемо. В этом случае измерение пар КЭ МРА первой и второй строк уравнений измерения производят через один зондирующий импульс. При этом погрешностью неодновременного измерения КЭ можно пренебречь, т.к. измерение производят при малой скорости вращения цели (2-5 об/мин), а различие во времени измерения составляет единицы мкс (меньше удвоенного значения скважности), за это время угол визирования цели изменится на сотые доли углового градуса.
Настройка ФАР для измерения РЛХ целей
У торцевой стены БЭК размещают ФАР электрической осью соосно продольной оси БЭК.
Подключают систему 1 ответвителей ФАР к выходу радиоизмерительной аппаратуры (РИА) (к выходу усилителя мощности УМ 18) (фиг. 1 и 3). Подвижные контакты всех первых коммутаторов 2 подключены к входам субканалов Е.
На сканере [2], с возможностью горизонтального и вертикального перемещений в плоскости параллельной плоскости ФАР, перед ней на расстоянии около длины рабочей волны, соосно крайнему и излучателю, устанавливают измерительный зонд в виде волноводного рупора Е поляризации. Подключают зонд к радиоизмерительной аппаратуре, которая позволяет измерять и фиксировать амплитуду и фазу излучателей ФАР. Сканируют зондом излучатели Е поляризации ФАР. Результаты измерения, в соответствие с программой, записывают в память ЭВМ. По программе ЭВМ выбирает излучатель с наименьшей амплитудой излучения.
После чего на сканере устанавливают зонд Н поляризации. Подключают зонд к радиоизмерительной аппаратуре, которая позволяет измерять и фиксировать амплитуду и фазу излучателей ФАР. Подвижные контакты всех первых коммутаторов 2 подключены к входам субканалов Н поляризации. Сканируют зондом излучатели Н поляризации ФАР. Результаты измерения, в соответствие с программой, записывают в память ЭВМ. По программе ЭВМ из результатов двух измерений ЭВМ выбирает излучатель с наименьшей амплитудой излучения, по этим результатам, с помощью электронных аттенюаторов 6 и фазовращателей 7, ЭВМ выравнивает амплитуды и фазы всех излучателей Е и Н поляризаций. ФАР настроена и готова к измерениям статических РЛХ целей.
Работа радиоизмерительной аппаратуры (РИА) полигона с ФАР
1. Настраивают ФАР (см. выше).
2. На опору, стоящую в ближней зоне ФАР, устанавливают цель.
3. Включают питание всех активных блоков РИА.
4. В каналах и субканалах излучателей ФАР возникают сигналы, которые излучаются в пространство в виде зондирующих импульсов радиосигнала с одинаковыми фазами и амплитудами, например, Е поляризации в дальней зоне излучателей ФАР и ближней зоне апертуры ФАР формируется плоский фронт поля с однородной амплитудой. При работе на прием, на основании принципа взаимности антенн, плоская ФАР работает как коллиматорная антенна. Поле вторичного излучения цели поступает на все излучатели, работающие в режиме приема, в промежуток время равный удвоенному значению скважности. На выходах всех смесителей 10 и 12 возникают сигналы амплитуды и фазы, которые регистрируют приемники 21 и 22.
5. ФАР на Н поляризации излучения работает аналогично работе на Е поляризации.
Для обеспечения работы РИА длительности скважности Т и радиоимпульсов т должны удовлетворять неравенству:
где c - скорость света.
В промежуток время, равный удвоенной скважности Т, приемники осуществляют прием поля вторичного излучения цели.
9. С опоры снимают цель и на ее место помещают эталонный отражатель с известным значением ЭПР. При линейной характеристике приемника фиксируют сигнал, отраженный от эталонного отражателя, и путем экстраполяции калибруют его шкалу в значениях ЭПР.
ЭПР измеряемой цели , для каждой поляризации определяют по формуле (3):
ц
эт
где  - ЭПР цели;  - ЭПР эталона; P - мощность сигнала, отраженного от цели; P - мощность сигнала, отраженного от эталона.
10. Фазовую шкалу приемников калибруют путем перемещения эталонного отражателя вдоль электрической оси ФАР на расстояние нескольких длин волн L. Фаза Ф отраженного сигнала, определяется по формуле:
На фазовой шкале приемника с балансным фазовым детектором фазовая характеристика будет выглядеть в виде пилообразной кривой с нулевым обратным ходом со скачками фазы 2π.
Технический результат изобретения - увеличение коэффициента использования апертуры приемно-передающей антенны до 0,9 за счет применения фазированной антенной решетки (ФАР) в качестве антенны полигона и уменьшения занимаемой антенной площади безэховой камеры (БЭК), т.к. продольный размер ФАР равен ее толщине, которая составляет 3-5 рабочих длин волн.
Литература
[1] - Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. - М.: Сов. радио, 1972.
[2] - Балабуха Н.П., Зубов А.С., Солосин B.C. Компактные полигоны для измерения характеристик рассеяния объектов. - М.: Наука, 2007.
[3] - Карташкин А.С. Радионаблюдение воздушных объектов. - М.: РадиоСофт, 2014.
[4] - Теоретические основы радиолокации. Под редакцией Ширмана Я.Д. - М.: Советское радио, 1970.