УСТРОЙСТВО ПЕЛЕНГАЦИИ С ФАЗОВОЙ ПОДСТРОЙКОЙ

Полезная модель относится к радиолокационным устройствам и может использоваться в обзорных радиолокационных станциях (РЛС), производящих измерение угловой координаты пеленгуемого воздушного объекта (ВО).
Известно устройство пеленгации воздушных объектов [1], включающее в себя гетеродин, антенну, кольцевой волноводный мост (КВМ), два смесителя, два оптимальных фильтра (ОФ), два усилителя промежуточной частоты (УПЧ), амплитудный детектор (АД), фазовый детектор (ФД) и схему деления (СД). При этом первый и второй выходы антенны соединены соответственно с первым и вторым входами КВМ, последовательно между собой соединены первый смеситель, первый ОФ, первый УПЧ, АД и СД, последовательно между собой соединены второй смеситель, второй ОФ, второй УПЧ и ФД. Первый и второй выходы КВМ подключены соответственно к входам 1-го и 2-го смесителей, вторые входы которых связаны с выходом гетеродина. Выход первого УПЧ подключен ко второму входу ФД, выход которого подключен ко второму входу схемы деления.
Данное устройство способно определять в одной из плоскостей (азимутальной или угломестной) направление на источник отражения радиоволн в пределах рабочей зоны, образуемой двумя смещенными относительно равно-сигнального направления (на одинаковый угол отворота, но в противоположные стороны) приемными характеристиками направленности (ХН) антенны. Однако точность оценки угловой координаты ВО в устройстве [1] является недостаточной, так при работе РЛС не учитывается факт медленного ухода или дрейфа фазы в суммарном и разностном каналах обработки, которые могут достигать 30-40 градусов.
Задачей полезной модели является стабилизация фазы отраженного сигнала в каналах обработки амплитудного суммарно-разностного моноимпульсного пеленгатора, что обеспечивает повышение точности измерения угловых координат ВО.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в известное устройство пеленгации ВО [1] предлагается дополнительно ввести последовательно соединенные широкополосный смеситель с нелинейным усилением (ШСНУ), стробируемый усилитель-ограничитель, синусный ФД, преобразователь сигнала ошибки (ПСО) и управляемый фазовращатель (УФВ), а также ввести 3-й смеситель, квадратор и опорный гетеродин, причем выход 1-го УПЧ предлагается связать с 1-м входом ШСНУ, выход которого соединить с первым входом ФД, второй вход которого соединить с выходом опорного гетеродина, вторым входом УФВ и вторым входом синусного ФД, выход УФВ предлагается подключить к 2-му входу 3-го смесителя, 1-й вход которого соединить с выходом 2-го УПЧ, а выход - со вторым входом ШСНУ, вход квадратора подключить к выходу АД, а выход квадратора - к 1-му входу СД. Такое построение схемы позволяет выделить с помощью синусного ФД величину медленного ухода фазы отраженного воздушным объектом сигнала и после преобразования этого ухода фазы в сигнал управления - ввести поправку в разностном канале обработки на третьем смесителе подачей на него опорного напряжения гетеродина с введенной подстройкой (правкой).
На чертеже представлена структурная схема устройства пеленгации с фазовой подстройкой. Устройство пеленгации с фазовой подстройкой содержит гетеродин 1, 1-й смеситель 2, 1-й ОФ 3, 1-й УПЧ 4, антенну 5, КВМ 6, ШСНУ 7, ФД 8, 2-й смеситель 9, 2-й ОФ 10, 2-й УПЧ 11, 3-й смеситель 12, стробируемый усилитель-ограничитель 13, ПСО 14, УФВ 15, опорный гетеродин 16, синусный ФД 17, АД 18, СД 19 и квадратор 20. Блоки 2, 3, 4, 7, 13 и 17 соединены последовательно. Аналогично последовательно связаны блоки 9, 10, 11 и 12. Выход гетеродина 1 соединен со вторым входом 1-го смесителя 2 и вторым входом 2-го смесителя 9. Первый и второй выходы антенны 5 подключены к соответствующим 1-му и 2-му входам КВМ 6, первый выход которого соединен с первым входом 1-го смесителя 2, а второй выход - с первым входом 2-го смесителя 9. Выход ШСНУ 7 подключен также к 1-му входу ФД 8, 2-й вход которого связан с выходом опорного гетеродина 16, 2-м входом синусного ФД 17 и вторым входом УФВ 15, 1-й вход которого соединен с выходом ПСО 14, связанного своим входом с выходом синусного ФД 17. Выход УФВ 15 подключен к 2-му входу 3-го смесителя 12, выход которого подключен к 2-му входу ШСНУ 7. Выход 1-го УПЧ 4 соединен также с входом АД 18, выход которого подключен ко входу квадратора 20, выход которого подключен к 1-му входу СД 19, 2-й вход которой связан с выходом ФД 8.
В соответствии с замыслом своего построения устройство пеленгации с фазовой подстройкой работает следующим образом.
Антенна 5 излучает сверхвысокочастотные радиолокационные сигналы в свободное пространство, в котором предполагается нахождение ВО. Сигналы отражаются ВО и принимаются антенной 5 по двум смещенным в разные стороны от равносигнального направления (РСН) характеристикам направленности. Две пересекающиеся (на уровне, к примеру, 3 дБ) приемные ХН антенны имеют общий фазовый центр. С помощью сравнения сигналов, принятых по этим двум ХН антенны, реализуется амплитудный метод пеленгации ВО [2-5].
Структура предлагаемого устройства в основе своей соответствует структуре обзорного амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы измерения угловых координат [2-5]. Переизлученные ВО сигналы с первого и второго выходов антенны 5 поступают на соответствующие входы суммарно-разностного преобразователя, роль которого выполняет КВМ 6. В роли КВМ в схеме вполне допустимо использование двойного волноводного тройника и ему подобных устройств. Кольцевой волноводный мост 6 имеет 4 плеча на одной волноводной полуокружности, которые расположены одно относительно другого под углом 60°, если измерять углы из центра КВМ. Расстояния меду плечами равны λ/4, где λ - средняя длина волны принимаемых сигналов. На одном из выходных плеч КВМ входные сигналы двух разнесенных на некоторый угол (относительно РСН) приемных антенных каналов складываются в фазе, образуя суммарный канал. На другом плече сигналы складываются в противофазе, образуя разностный канал. Сигнал в разностном канале (разностном плече КВМ) будет иметь фазу сигнала того антенного канала, в котором он больше по амплитуде, т.е. фазу сигнала, принятого той парциальной ХН, в сторону смещения которой отклонен ВО.
В соответствии с тем, какой антенный канал (из двух каналов) обрабатывает сигнал большей амплитуды, сигналы разностного и суммарного плеч КВМ могут находиться в фазе или в противофазе. А в случае равенства сигналов в обоих антенных каналах на разностном плече КВМ выходной сигнал отсутствует (равен нулю). Это соответствует ситуации нахождения ВО строго на РСН.
Амплитуда сигнала разностного канала (соответствует на чертеже второму выходу КВМ 6) пропорциональна величине углового отклонения ВО от РСН. Разность же фаз между суммарным и разностным каналами показывает направление отклонения ВО от РСН по измеряемой угловой координате (азимут β или угол места ε). Другими словами, разность фаз показывает знак углового отклонения ВО от РСН.
С первого выхода КВМ 6 сигнал суммарного канала поступает на 1-й вход 1-го смесителя 2, а со второго выхода КВМ сигнал разностного канала поступает на 1-й вход 2-го смесителя 9.
Сигналы суммарного канала в предлагаемом устройстве выполняют роль нормирующих. В отличие от РЛС сопровождения в обзорных РЛС, к которым относится предлагаемое устройство пеленгации с фазовой подстройкой, применение в тракте автоматической регулировки усиления нецелесообразно, поскольку в рабочей зоне РЛС могут находиться несколько ВО, амплитуды сигналов от которых могут отличаться существенно (например, на порядок). Основная полезная информация об угловом положении ВО всегда заключена в параметрах сигнала разностного канала.
пр1
На вторые входы 1-го смесителя 2 и 2-го смесителя 9 поступает напряжение когерентного гетеродина 1, что позволяет понизить основную частоту обрабатываемых сигналов ВО до первой промежуточной ω. Выходной фильтр блоков 2 и 9 должен быть узкополосным, то есть иметь полосу пропускания порядка единиц мегагерц, чтобы в тракт обработки не попадали сигналы других РЛС.
С выходов смесителей 2 и 9 сигналы поступают на входы соответствующих ОФ 3 и 10. Оптимальные фильтры должны иметь импульсные характеристики, согласованные по форме с излучаемыми сигналами. Наличие ОФ обеспечивает рост амплитуды полезного сигнала по отношению к уровню внешних и внутренних шумов [2-5], что позитивно сказывается на результирующем отношении сигнал-шум.
Основное усиление принятых сигналов происходит в УПЧ. Сигналы суммарного канала с выхода ОФ 3 проходят на вход 1-го УПЧ 4, а сигналы разностного канала с выхода ОФ 10 - на вход 2-го УПЧ 11.
Аналитически преобразование принятых от ВО сигналов выражается следующим образом. Высокочастотные отраженные сигналы на выходах первого  и второго , антенного каналов в момент времени t при небольших угловых отклонениях Θ ВО от РСН могут быть представлены в виде
m
0
0
0
1
2
0
где E - амплитуда принимаемого сигнала; ω - сверхвысокая круговая частота принимаемого сигнала; Θ - угловое положение РСН; Θ - угловое смещение (отклонение) ВО от РСН; F(Θ±Θ) - величина коэффициента направленного действия комплексной ХН антенны в направлении ±Θ относительно углового положения РСН Θ; F(Θ) - величина коэффициента направленного действия ХН антенны 1-го парциального антенного канала в направлении на излучающий ВО; F(Θ) - величина коэффициента направленного действия ХН антенны 2-го парциального антенного канала в направлении на излучающий ВО; F(Θ) - коэффициент направленного действия антенны в РСН; µ - крутизна рабочего участка ХН антенны [1, 6].
Сигналы на суммарном (первый выход КВМ)  и разностном (второй выход КВМ)  выходных плечах КВМ 6 с учетом баланса мощностей аналитически выражаются зависимостями
пр1
После перехода с помощью смесителя 2 на первую промежуточную частоту ω и усиления в первом УПЧ 4 на первом входе ШСНУ 7 (соответствует выходу 1-го УПЧ 4 суммарного канала) сигнал ВО будет равен
1
1
где ω - фазовый сдвиг в суммарном канале; k - коэффициент усиления в суммарном канале.
Аналогичный сигнал на выходе 2-го УПЧ 11 разностного канала будет равен
2
2
где φ - фазовый сдвиг в разностном канале; k - коэффициент усиления разностного канала.
оп
После усиления во 2-м УПЧ 11 сигнал разностного канала проходит на первый вход 3-го смесителя 12, запитанного по 2-му входу сигналом опорного гетеродина 16 (частоты ω) через УФВ 15, который в начальном положении (при отсутствии управляющего сигнала на своем втором входе) не вносит изменений в фазу проходящего через него сигнала.
пр2
На выходе 3-го смесителя 12 будет получен сигнал второй промежуточной частоты ω, который будет определяться зависимостью
3
оп
пр1
пр2
оп
пр1
оп
пр1
пр2
где φ - фазовый сдвиг, вносимый при вторичном преобразовании частоты сигнала в 3-м смесителе 12. Частота ω должна быть больше промежуточной частоты ω, чтобы выполнялось равенство ω=ω-ω. Например, если ω=70 МГц, a ω=30 МГц, то ω=40 МГц.
С выхода 3-го смесителя 12 сигнал разностного канала  на второй промежуточной частоте поступает на второй вход ШСНУ 7. В блоке 7 осуществляется нормирование принятого сигнала методом перевода малого по значению разностного сигнала с информацией о величине рассогласования Θ на уровень сигнала суммарного канала. На выходе широкополосного смесителя предполагается наличие нелинейного усилителя с несимметричной амплитудной характеристикой, который выравнивает сигналы ВО, отклоненных на различные углы относительно РСН. На выходе ШСНУ 7 образуется сигнал вида
3
где k - коэффициент усиления сигнала в ШСНУ 7.
оп
пр1
пр2
Этот сигнал с выхода блока 7 поступает на 1-й вход ФД 8, на втором входе которого присутствует сигнал опорного гетеродина 16 на круговой частоте ω=ω+ω. Фазовый детектор выделяет сигнал низкой частоты, пропорциональный разности фаз входных сигналов
фд
где k - коэффициент усиления сигнала в ФД 8.
Кроме того, сигнал с выхода 1-го УПЧ 4 поступает на вход АД 18, где детектируется, т.е. выделяется его огибающая. Огибающая на выходе АД 18 отличается от радиосигнала из блока 4 отсутствием высокочастотного заполнения. Значит, на выходе АД 18 формируется сигнал суммарного канала вида
ад
В дальнейшем этот сигнал подается на вход квадратора 20. Сигнал на выходе блока 20 (квадратор) будет соответствовать квадрату огибающей анализируемого сигнала разностного канала, т.е. квадрату входного сигнала U. Таким образом, выходной сигнал квадратора будет равен
Формирование пеленгационной характеристики G(Θ) производится на выходе СД 19. На 1-й вход СД 19 поступает напряжение с квадратора 20, а на второй - с выхода ФД 8. Сигнал 2-го входа СД 19 является делимым, а сигнал 1-го входа СД 19 - делителем. В результате деления получаем пеленгационную характеристику G(Θ) в виде
сд
Поскольку все составляющие формулы (12) кроме переменной Θ являются известными, то по уровню измеренного сигнала U путем обратного пересчета всегда можно вычислить угол Θ отклонения ВО от РСН:
1
2
При наличии медленных уходов фазы в приемных трактах устройства пеленгации (углового пеленгатора) множитель cos(φ-φ) будет изменяться, что приведет к соответствующим изменениям оценки угловой координаты (например, азимута β). Поэтому необходимо вводить поправку на уход фазы отраженного сигнала. Это достигается применением в схеме синусного ФД 17, на который сигнал опорной частоты  подается через стробируемый усилитель-ограничитель 13. Опорный гетеродин 16 является высокостабильным, и фаза его сигналов не имеет отклонений. Стробируемый усилитель-ограничитель 13 выделяет с помощью строба сигнал ВО, по которому проводится измерение и относительно которого осуществляется коррекция фазовых уходов. За счет использования ограничения в блоке 13 устраняется амплитудная модуляция сигнала, происхождение которой обусловлено различием углового положения ВО.
Δφ
Δφ
На выходе синусного ФД 17 выделяется сигнал ошибки, величина которого определяется разностью фаз входных сигналов. Один из входных сигналов является эталонным, а сигнал ШСНУ может содержать непреднамеренное и вредное фазовое отклонение. Разность фаз Δφ характеризует изменение отклонения рабочей фазы сигнала с течением времени от эталонной величины. Синус этой разности фаз sinΔφ с учетом поправочного коэффициента поступает с выхода блока 17 на вход ПСО 14. В ПСО 14 вырабатывается сглаженный сигнал ошибки в виде напряжения U постоянного уровня, пропорциональное величине Δφ. Это напряжение U поступает из ПСО 14 на 1-й (управляющий) вход УФВ 15, который смещает фазу сигнала опорного генератора на величину Δφ. В результате этого рабочий принятый сигнал на 1-м входе ШСНУ 7 и опорный сигнал с выхода 3-го смесителя 12 выравниваются по величине возможного медленного ухода фазы в тракте обработки. Иначе говоря, вводимая фазовая поправка компенсирует фазовые уходы в приемном тракте устройства пеленгации. Тем самым обеспечивается однозначное и более точное определение угловых координат ВО.
Новые элементы устройства широко известны в радиолокационной технике, что подтверждает осуществимость технического предложения.
Предлагаемое устройство пеленгации с фазовой подстройкой целесообразно использовать в обзорных РЛС обнаружения ВО с системой передачи результатов обзора пространства на другие системы обслуживания объектов.
Источники информации
1. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М., Сов. радио, 1970, С.28-30, рис.1.13 (прототип).
2. Справочник по основам радиолокационной техники / Под ред. В.В.Дружинина. М., Воениздат, 1967. 768 с.
3. Справочник по радиолокации / Под ред. М.И.Сколника. Пер. с англ. М., Сов. радио, 1967. Том 1. Основы радиолокации. 456 с.
4. Радиотехнические системы / Под ред. Ю.М.Казаринова. М., Высш. школа, 1990. 496 с.
5. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. Учебник для вузов. М.: Сов. радио, 1973. 496 с.
6. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М., Сов. радио, 1984. 312 с.