КОМБИНИРОВАННАЯ МОНОИМПУЛЬСНАЯ АНТЕННА КАССЕГРЕНА С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
COMBINED MONOPULSE CASSEGRAIN ANTENNA WITH EXCITATION FROM PHASED ANTENNA ARRAY

Предлагаемое изобретение относится к радиолокации, в частности комбинированным антенным системам, сочетающих формирование лучей с помощью зеркал и линейных фазированных антенных решеток (ФАР).
Для обеспечения сканирования сцены в широком диапазоне углов в радиолокации широко применяют и механическое сканирование, и электронное с помощью ФАР. При механическом сканировании антенное устройство строится на базе зеркальных антенн, относительно просто в изготовлении и имеет низкую стоимость, однако скорость получения изображения сцены не велика. При электронном сканировании на базе ФАР существенно повышается скорость сканирования сцены, обработкой пространственного сигнала достигается улучшение помехозащищенности РЛС в условиях пассивных и активных помех, однако сложность антенной системы и ее стоимость возрастают пропорционально числу элементов ФАР. В ряде устройств связи и РЛС для уменьшения числа элементов ФАР применяют ее комбинацию с зеркалом.
1
1
Примером такой комбинированной антенной системы является антенная система [1, фиг.1], построенная на базе главного и вспомогательного параболического зеркал, имеющих общий фокус и совпадающие оси парабол. Главное и вспомогательные зеркала находятся по разным сторонам оси парабол. Возбуждение антенной системы и управление ее лучом производится от линейной фазированной антенной решетки (ЛФАР), облучающей вспомогательное зеркало и находящейся в плоскости, параллельной фокусной. Вспомогательное зеркало переотражает сигнал ЛФАР в сторону главного зеркала, формирующего управляемую диаграмму направленности (ДНА) антенной системы. Центр ЛФАР соответствует точке совпадения двух лучей, полученных после последовательного переотражения лучей от главного и вспомогательного зеркал, подсвечивающих центр главного зеркала с направлений, соответствующих верхнему и нижнему углу сканирования. При выборе размера вспомогательного зеркала, в М раз меньшего размера главного зеркала, обеспечивается масштабное преобразование наклона фронта волны ЛФАР в наклон фронта волны, излучаемой главным зеркалом. При этом фокусное расстояние вспомогательного зеркала f в М раз меньше фокусного расстояния главного, расстояние от центра ЛФАР до центра вспомогательного зеркала I определяется выражением:
,
где α - угол между осью параболы и направлением из фокуса на центр главного зеркала.
Второй вариант антенной системы [1, фиг.4] отличается от первого варианта дополнительным гиперболическим зеркалом, стоящим по пути распространения сигнала между главным и вспомогательным зеркалом. Гиперболическое зеркало обеспечивает возможность увеличения расстояния между ЛФАР и вспомогательным зеркалом для установки в этом промежутке поляризационного фильтра и дуплексера.
Достоинством антенной системы [1] является возможность электронного сканирования луча с шириной ДНА, определяемой размером раскрыва главного зеркала, при размерах ЛФАР, сопоставимых с размером вспомогательного зеркала.
Недостатком антенной системы [1] является то, что сканирование луча в ней может выполняться в малом диапазоне углов (не более 10 градусов) и только в одной плоскости. Угол сканирования ДНА ограничен верхней границей допустимого уровня ошибок распределения фазы сигнала в раскрыве главного зеркала. Кроме того, для обеспечения подсвета всего главного зеркала в рабочем диапазоне углов сканирования при высоком КПД необходимо согласовывать положение активной зоны ЛФАР с положением и размером облучаемого пятна на вспомогательном зеркале, т.е. изменять положение активной зоны ЛФАР вдоль ее оси в зависимости от направления ДНА.
Антенная система [2] содержит криволинейное зеркало и вынесенную несущую конструкцию, две противоположные стороны которой используются для размещения двух антенных решеток, управляемых процессором. Первая антенная решетка обращена к зеркалу, вторая - от зеркала. Число элементов обоих решеток одинаковое, при этом соседние элементы обоих решеток образуют пару, режим работы которой управляется процессором.
При передаче процессор из нескольких соседних пар формирует активную зону, положение которой определяет направление ДНА антенной системы. Активная зона составляет часть первой и второй антенной решетки, используется для облучения зеркала сигналом передатчика и приема пространственного сигнала, отраженного зеркалом. Направление излучения и размер активной зоны выставляются из условия сопряжения облучаемой зоны с размером зеркала, соответственно обеспечивается высокий КПД антенной системы. Сигналы второй антенной решетки, входящие в активную зону, при передаче соединяются с передатчиком, а при приеме с приемником РЛС, при этом работа элементов первой антенной решетки, входящих в активную зону, блокируются. Сигнал передатчика, отраженный зеркалом, в соответствии с положением активной зоны переизлучается в заданном направлении ДНА. Часть его минует вторую антенную решетку, размер которой существенно меньше раскрыва зеркала, остальная часть сигнала попадает в неактивную зону антенной решетки. В этой зоне сигнал, принимаемый элементом второй антенной решетки, после корректирующей фазировки и усиления переизлучается соответствующим элементом пары первой антенной решетки без изменения фазового фронта сигнала, отраженного зеркалом.
При приеме внешних сигналов работа пары элементов первой и второй решеток в неактивной зоне перестраивается процессором для переизлучения сигнала, принимаемого первой антенной решеткой, второй антенной решеткой в сторону зеркала.
Достоинством устройства является возможность электронного сканирования ДНА с высокой скоростью в широком диапазоне углов и высоким КПД. При этом размер первой и второй антенных решеток существенно меньше апертуры зеркала.
Недостатком устройства является сложность, связанная с использованием и взаимодействием двух взаимносвязанных антенных решеток, с относительно большим дискретом переключения ДНА по углу, вызванным шагом дискретного перемещения центра активной зоны, равным расстоянию между соседними элементами второй антенной решетки.
Антенная система [3, с.245, рис 13.13], принятая в качестве прототипа, представляет двухзеркальную антенну Кассегрена, содержащая неподвижное параболическое зеркало, подвижный твист-рефлектор (плоское зеркало, поворачивающее плоскость поляризации отраженного сигнала на 90 градусов), неподвижный точечный облучатель с вертикальной поляризацией, находящийся в фокусе параболического зеркала. Параболическое зеркало выполнено из проволок круглого или прямоугольного сечения, лежащих в вертикальной плоскости. В раскрыве параболического зеркала формируется плоский фронт волны, ортогональный продольной оси антенны и имеющий вертикальную поляризацию. При отражении от твист-рефлектора фронт волны остается плоским, поляризация сигнала поворачивается на 90 градусов, а максимум излучения смещается по углу в зависимости от положения твист-рефлектора. Полученный сигнал проходит через параболическое зеркало и распространяется в направлении, заданным положением плоского зеркала.
Достоинством антенной системы является возможность сканирования ДНА с высоким КПД в широком диапазоне углов за счет поворотов достаточно легкого подвижного зеркала.
Применение в антенне Кассегрена пар разнесенных точечных облучателей, находящихся вблизи фокуса параболического зеркала, позволяет сформировать лучи амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной антенны и измерять угловой пеленг цели относительно равносигнального направления.
Недостатком антенной системы Кассегрена являются относительно низкая скорость обзора сцены, связанная с механическим перемещением ДНА.
Целью предлагаемого изобретения является создание двухзеркальной моноимпульсной антенной системы с повышенной скоростью азимутального сканирования.
Поставленная цель реализуется тем, что в двухзеркальной антенной системе [3] в качестве неподвижного зеркала используется параболический цилиндр, в фокусной плоскости которого параллельно образующей цилиндра расположены три линейные фазированные антенные решетки (ЛФАР), при этом центральная ЛФАР является приемопередающей, а две другие ЛФАР являются приемными. Угломестное сканирование обеспечивается перестройкой углового положения твист-рефлектора, азимутальное сканирование ДНА на передачу выполняется с помощью центральной ЛФАР, моноимпульсный прием сигнала в азимутальной плоскости обеспечивается обработкой сигнала, принятого каждой из ЛФАР, моноимпульсный прием в угломестной плоскости обеспечивается использованием разности сигналов, полученных двумя боковыми ЛФАР, в качестве суммарной ДНА при угломестном и азимутальном приеме используется суммарный сигнал, полученный от центральной ЛФАР на заданном направлении.
Для достижения поставленной цели двухзеркальная антенная система [3], содержащая криволинейное неподвижное зеркало, выполненное из проволок круглого или прямоугольного сечения, лежащих в вертикальной плоскости, подвижный твист-рефлектор, ось вращения которого проходит через фокус криволинейного неподвижного зеркала, привод антенной системы, первый выход которого соединен с осью вращения твист-рефлектора, отличается тем, что в качестве не подвижного криволинейного зеркала используется параболический цилиндр, ось вращения твист-рефлектора параллельна образующей параболического цилиндра, введены первая, вторая и третья ЛФАР, расположенные в фокальной плоскости параболического цилиндра, параллельно его образующей, первая и третья ЛФАР расположены симметрично относительно второй ЛФАР, разнос первой и третьей ЛФАР обеспечивает формирование двух лучей с равносигнальным направлением по уровню 0,7 в угломестной плоскости, вторая ЛФАР находится в осевой плоскости параболического цилиндра, многоканальное приемопередающее устройство, датчик угла, расположенный на оси твист-рефлектора, и процессор, при этом каждая ЛФАР содержит одинаковое число N приемно-излучающих элементов, входы-выходы первой, второй и третьей ЛФАР соединены с первым, вторым и третьим входом-выходом многоканального приемопередающего устройства соответственно, пятый, шестой и седьмой вход-выход многоканального приемопередающего устройства соединен с первым, вторым и третьим сигнальным входом-выходом процессора соответственно, четвертый вход-выход процессора является управляющим, соединенным с четвертым входом-выходом многоканального приемопередающего устройства и вторыми входами-выходами датчика угла и привода соответственно, первый вход датчика угла механически соединен с осью вращения твист-рефлектора, пятый вход-выход процессора является интерфейсным входом-выходом антенной системы, многоканальное приемопередающее устройство на втором входе-выходе формирует при передаче N канальный СВЧ сигнал возбуждения параболического цилиндра, управляемый по амплитуде и фазе, обеспечивающий перестройку ДНА антенной системы в азимутальной плоскости, при приеме сигналы каждой из ЛФАР в многоканальном приемопередающем устройстве переносятся на промежуточную частоту, усиливаются, переносятся на видеочастоту с получением квадратур, оцифровываются и выдаются с пятого, шестого и седьмого выходов на первый, второй и третий вход выход процессора соответственно, в процессоре весовой обработкой выходных сигналов многоканального приемопередатчика получают суммарный и разностные сигналы по азимуту и углу места, которые выводятся на последующую обработку через пятый вход-выход.
Сущность изобретения поясняется дальнейшим описанием со ссылками на следующие чертежи.
На фиг.1 представлена структурная схема антенной системы.
На фиг.2 представлена геометрия приемных ДНА в угломестной плоскости.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - Параболический цилиндр;
2 - Твист-рефлектор;
3 - Третья ЛФАР;
4 - Вторая ЛФАР;
5 - Первая ЛФАР;
6 - Датчик угла (ДУ);
7 - Многоканальное приемопередающее устройство (ППУ);
8 - Привод (ПРИВ).
9 - Процессор (ПРЦ);
На фиг.1 ось вращения твист-рефлектора 2 совпадает с линией, параллельной образующей параболического цилиндра 1, проходящей через его фокус, первая 5, вторая 4 и третья 3 ЛФАР расположены в фокальной плоскости параболического цилиндра 1, параллельно его образующей, первая 5 и третья 3 ЛФАР расположены симметрично относительно второй ЛФАР 4, вторая ЛФАР 4 находится в осевой плоскости параболического цилиндра 1, входы-выходы первой 5, второй 4 и третьей 3 ЛФАР соединены с первым, вторым и третьим входом-выходом многоканального приемопередающего устройства 7 соответственно, пятый, шестой и седьмой вход-выход многоканального приемопередающего устройства 7 соединен с первым, вторым и третьим сигнальным входом-выходом процессора 9 соответственно, четвертый вход-выход процессора 9 является управляющим входом-выходом, соединенным с четвертым входом-выходом многоканального приемопередающего устройства 7 и вторыми входами-выходами датчика угла 6 и привода 8 соответственно, первый выход датчика угла 6 и первый выход привода 8 механически соединены с осью вращения твист-рефлектора 2, пятый вход-выход процессора 9 является входом-выходом антенной системы
В качестве твист-рефлектора 2 может быть использован твист-рефлектор [4].
В качестве приемопередающих модулей многоканального приемопередающего устройства 7 могут быть использованы модули [5].
В качестве процессора 9 может быть использована бортовая вычислительная машина ВБ-480-01.
Другие элементы, входящие в антенную систему, используются в радиолокации и не требуют пояснений по реализации.
Работа антенной системы происходит в следующей последовательности. На процессор 9 через пятый вход-выход вводятся исходные данные на установку оси ДНА на излучение и прием. Процессор в соответствии с полученными данными сравнивает угловое положение твист-рефлектора 2 по данным, приходящим с датчика угла 6, с требуемым для заданного положения оси ДНА в угломестной плоскости. В соответствии с углом рассогласования через привод 8 процессор 9 устанавливает ось ДНА в заданное положение.
В азимутальной плоскости положение оси ДНА при передаче устанавливается за счет излучения сигнала второй ЛФАР 4 с соответствующей амплитудно-фазовой структурой. Расчет ее производится процессором 9 по исходным данным, введенным на его пятый вход-выход, результат расчета вводится на четвертый вход выход многоканального приемопередающего устройства 7, которое на втором входе-выходе формирует СВЧ сигнал с расчетной амплитудно-фазовой структурой, поступающий на N элементную вторую ЛФАР 4, расположенную в фокусной плоскости параболического цилиндра 1, параллельно его образующей. Пространственный сигнал ЛФАР 4 имеет вертикальную поляризацию, переотражается цилиндрическим параболоидом 1 в сторону твист-рефлектора 2. Цилиндрический параболоид 1 выполняется в виде проволок круглого или квадратного сечения, расположенных с постоянным шагом параллельно плоскости вертикальной поляризации, поэтому является отражающим для сигналов с вертикальной поляризацией и прозрачным для сигналов с горизонтальной поляризацией. Твист-рефлектор 2 содержит поляризационную структуру из параллельных проводников, расположенных с постоянным шагом над проводящей поверхностью под углом 45 градусов к вектору поляризации падающей волны. Сигнал второй ЛФАР 4 после отражения твист-рефлектором 2 изменяет поляризацию сигнала на ортогональную, поэтому проходит через параболический параболоид 1 в заданную настройкой сторону излучения.
При приеме горизонтально поляризованный сигнал проходит через поляризационную структуру цилиндрического параболоида 1 на твист-рефлектор 2, где отражается с изменением поляризации на вертикальную в сторону параболического цилиндра 1. Сигнал, отраженный параболическим цилиндром 1, через третью 3, вторую 4 и первую 5 ЛФАР поступает на соответствующие входы многоканального приемопередающего устройства 7, где переносится на промежуточную частоту, усиливается в рабочей полосе частот, переносится на видеочастоту с получением квадратур, оцифровывается и выводится на первый, второй и третий входы-выходы процессора 9 соответственно. Первая 5, вторая 4 и третья 3 ЛФАР расположены параллельно с одинаковым шагом, при этом на прием образуются три разнесенных в угломестной плоскости луча (фиг.2), разнос первой и третьей ЛФАР обеспечивает разнос крайних лучей на ширину ДНА, соответственно их равносигнальное направление совпадает с осью центрального луча.
Процессор 9 с помощью весовой обработки сигналов на выходах многоканального приемопередающего устройства 9 формирует суммарный и разностные сигналы по азимуту и углу места, которые выдаются через пятый вход-выход на последующую обработку в РЛС. Веса, используемые при обработке принятого сигнала, зависят от заданного направления приема.
Техническим преимуществом комбинированной антенной системы является увеличенная скорость сканирования моноимпульсной ДНА в азимутальной плоскости, при умеренном числе элементов ФАР (стоимости антенной системы), необходимых для формирования требуемой сканирующей в широком диапазоне углов ДНА.
Изготовление и испытания комбинированной антенной системы подтвердили ее эффективность, связанную с сокращением необходимого числа элементов ФАР, необходимых для формирования требуемой ДНА, сканирующей в широком диапазоне углов ДНА с высокой скоростью в азимутальной плоскости, при этом снижение числа элементов ФАР позволяет снизить стоимость антенной системы. Рабочий диапазон углов азимутального сканирования в макете составил ±30° - угломестного ±45°.
Пользуясь сведениями, представленными в материалах заявки, комбинированная антенная система может быть изготовлена по существующей, известной в радиопромышленности технологии и использована в моноимпульсных РЛС и устройствах связи.
ЛИТЕРАТУРА
1 Патент США №4203105 от 15.05.1980. Scanable antenna arrangements capable of producing a large image of a small array with minimal aberrations.
2 Патент США №6958738 от 25.10.2005. Reflector antenna system including a phased array antenna having a feed through zone and related methods.
3 Лавриков А.С., Резников Г.Б. Антенно-фидерные устройства. - М.: Советское Радио, 1974.
4 Патент России №2201022 от 20.03.2003. Твист-рефлектор.
5 Патент США №6441783 от 27.08.2002. Circuit module for a phased array.