АНТЕННАЯ СИСТЕМА
ANTENNA SYSTEM

Изобретение относится к антенным системам радиолокационных станций (РЛС) малогабаритного/миниатюрного исполнения с непрерывным режимом излучения.
Изобретение может быть использовано в радиолокационных системах обнаружения, сопровождения, охраны и предупреждения, а также в головках самонаведения ракет и других подвижных объектов.
5
7
Основной проблемой РЛС, работающих в режиме непрерывного излучения, является получение необходимой величины развязки между каналами приема и передачи, что во многих случаях реализуется применением разнесенных в пространстве раздельных зеркальных антенн для каждого из этих каналов [1-3]. Такое решение неизбежно увеличивает габариты, вес и энергопотребление в системе приводов при сканировании. Это ограничивает миниатюризацию РЛС и возможность размещения ее на подвижных носителях, но позволяет снизить уровень сигнала передатчика на входе канала приема в 10-10 и более раз, т.е. не менее чем на 50-70 дБ [3, стр.253; 4, стр.18].
Антенная система - переключатель прием/передача, выбранная в качестве прототипа, основана на применении волн с эллиптической поляризацией, обладает ничтожным затуханием (потерями) и, кроме того, обеспечивают изоляцию передатчика от влияния изменений полного сопротивления антенны [5, стр.322; 6, стр.85]. Передаваемая волна имеет одно направление вращения плоскости поляризации, а принимаемая волна, благодаря отражению, имеет обратное направление вращения плоскости поляризации. В источнике [6, стр.85], показана антенная система прототипа с параболическим трансрефлектором, ротафлектором и рупором, на котором реализован антенный переключатель. Сигнал передатчика вертикальной поляризации поступает на вход поляризационного моста, к ортогональному входу которого подключен приемник. Преобразование линейной поляризации в эллиптическую (круговую) поляризацию или наоборот можно осуществить в самой антенне [7; 5 стр.323] с помощью поляризующих зеркал - ротафлектора [5, стр.323; 10;].
На Фиг.2, взятой из источника [6, стр.85], показана антенная система прототипа с параболическим трансрефлектором, ротафлектором и рупором, на котором реализован антенный переключатель. Сигнал передатчика вертикальной поляризации поступает на вход поляризационного моста, к ортогональному входу которого подключен приемник. Преобразование линейной поляризации в эллиптическую (круговую) поляризацию или наоборот можно осуществить в самой антенне [7; 5 стр.323] с помощью поляризующих зеркал - ротафлектора [5, стр.323; 10;].
g
g
В качестве устройства разделения каналов прием/передача можно использовать поляризационный разделитель (мост) путем подсоединения к противоположным прямоугольным плечам турникетного шестиплечего соединения приемника и передатчика; оставшиеся пары плечей нагружаются короткозамыкателями таким образом, что их электрические длины отличаются на 1/4λ, - где λ длина волны в волноводе. На частоте 9 ГГц такой антенный переключатель обеспечивает [5, стр.323, 10] изоляцию (развязку) лучше 40 дБ в полосе 100 МГц.
Недостатками прототипа являются:
- недостаточная величина развязки между каналами прием/передача, ограничивающая дальность действия РЛС уровнем просачивающихся на вход приемника шумов собственного передатчика;
- ограниченная точность пеленгации угловых координат цели, так как пеленгация цели проводится по методу максимума, где амплитудная диаграмма имеет малую крутизну.
Метод расчета требуемой развязки (изоляции) между каналами передачи и приема приведен в [11, стр.273], где показано, что в режиме непрерывного излучения величина допустимой просачивающейся в приемник мощности передатчика РЛС должна быть ограничена [11, стр.273; 2, стр.97]:
- максимально допустимой мощностью, выдерживаемой входными устройствами приемника без повреждения или снижения чувствительности приемника из-за перегрузки (условие безопасности);
- величиной просачивающихся на вход приемника шумов передатчика, обусловленных паразитной амплитудной и частотной модуляцией сигнала передатчика из-за недостаточной фильтрации питающих напряжений, микрофонного эффекта, нестабильности частоты задающего генератора, собственных шумов задающего генератора и усилителя передатчика, что приводит к насыщению приемника прямым сигналом передатчика. Шумы передатчика имеют практически сплошной спектр, ширина которого примерно равна полосе пропускания СВЧ контуров передатчика.
пер
пер
пер
Изложенные требования отражены на графике требуемой развязки передатчика и приемника средней чувствительности [11, стр.273], где приняты: коэффициент шума = 10; Т°=290°. На Фиг.3 обозначены: прямая А, характеризующая требования безопасности; прямая Б соответствует m(f)=130 дБ/ВтГц; прямая В при m(f)=100 дБ/ВтГц; где m(f) - функция с размерностью 1/Гц, величина которой определяется типом передатчика [2, стр.97]. Следует отметить, что уровень шумов (помех), обусловленных отражениями от близких неподвижных целей, снижают, как правило, доплеровской фильтрацией, а для устранения перегрузки УПЧ используют усилители с логарифмическими характеристиками.
Требующиеся параметры - величина развязки между каналами прием/передача следуют из анализа Фиг.3 (прямые Б, В). Из Фиг.3 видно, что величина развязки прототипа в 40 дБ недостаточна для обеспечения работы приемного устройства РЛС. В связи с чем возникает необходимость дополнительного ослабления проникающего в канал приема излучения передатчика с соответствующей ему поляризацией.
Решаемая техническая задача направлена на увеличение развязки (изоляции) между каналами прием/передача при использовании одной антенны до уровня 50-70 дБ, т.е. до уровня, который обеспечивают двухантенные зеркальные системы. Повышение точности пеленгации целей до современных требований достигается применением амплитудного суммарно-разностного (моноимпульсного) метода пеленгации.
Решение поставленной технической задачи в антенной системе, содержащей главное параболическое зеркало - трансрефлектор и расположенный на его поверхности поляризатор - ротафлектор, а также рупорные облучатели каналов приема и передачи, достигается тем, что рупорные облучатели имеют взаимно ортогональную поляризацию и вынесены из поля лучей, отраженных главным параболическим зеркалом и размещены в фокусах малого гиперболического зеркала, где рупорный облучатель канала приема находится в фокусе малого гиперболического зеркала, с вогнутой его стороны, фокус которого совмещен с фокусом главного параболического зеркала, а рупорный облучатель канала передачи находится во втором фокусе малого гиперболического зеркала, с выпуклой его стороны, причем поверхность малого гиперболического зеркала является поляризационно-селективной, а рупорный облучатель канала приема выполнен многомодовым с линейной поляризацией, ортогональной поляризации рупорного облучателя канала передачи, к рупорному облучателю канала приема подключена волноводная система, образующая выходы опорной общей суммарной диаграммы Σ и двух разностных диаграмм азимутальной Δφ и угломестной Δθ, а также имеются два регулировочных микрометрических винта, обеспечивающих при регулировке независимый поворот вокруг продольных осей малого гиперболического зеркала и рупорного облучателя канала приема соответственно.
На Фиг.1 приведено устройство предлагаемой антенной системы, на Фиг.2 приведено устройство прототипа, на Фиг.3 приведен график, характеризующий требуемую величину развязки между каналами прием/передача.
Антенная система (фиг.1) содержит главное параболическое зеркало 1 - трансрефлектор и расположенный на его поверхности поляризатор - ротафлектор 2, а также рупорные облучатели 3, 4 каналов приема и передачи, причем рупорные облучатели 3, 4 имеют взаимно ортогональную поляризацию и вынесены из поля лучей, отраженных главным параболическим зеркалом 1, и размещены в фокусах малого гиперболического зеркала 5, где рупорный облучатель 3 канала приема находится в фокусе малого гиперболического зеркала 5, с вогнутой его стороны, фокус которого совмещен с фокусом главного параболического зеркала 1, а рупорный облучатель 4 канала передачи находится во втором фокусе малого гиперболического зеркала 5, с выпуклой его стороны, причем поверхность малого гиперболического зеркала 5 является поляризационно-селективной, а рупорный облучатель 3 канала приема выполнен многомодовым с линейной поляризацией, ортогональной поляризации рупорного облучателя канала передачи, к рупорному облучателю 3 канала приема подключена волноводная система 6, образующая выходы опорной общей суммарной диаграммы Σ 7 и двух разностных диаграмм 8 азимутальной Δφ и угломестной Δθ, а также имеются два регулировочных микрометрических винта 9 и 10, обеспечивающих при регулировке независимый поворот вокруг продольных осей малого гиперболического зеркала 5 и рупорного облучателя 3 канала приема соответственно.
На Фиг.2, взятой из источника [6, стр.85], показана антенная система прототипа с параболическим трансрефлектором 11, ротафлектором 12 и рупором 13, на котором реализован антенный переключатель. Сигнал передатчика 14 вертикальной поляризации поступает на вход поляризационного моста 15, к ортогональному входу которого подключен приемник 16. Преобразование линейной поляризации в эллиптическую (круговую) поляризацию или наоборот можно осуществить в самой антенне [7; 5 стр.323] с помощью поляризующих зеркал - ротафлектора [5, стр.323; 10;].
Работа предлагаемой антенной системы может быть пояснена следующим. Излучение передатчика (не показан), с линейной, например горизонтальной, поляризацией через рупорный облучатель 4 канала передачи, размещенный в одном из фокусов малого гиперболического зеркала 5 (Фиг.1), облучает малое гиперболическое зеркало 5, которое имеет поляризационно-селективную поверхность, отражающую линейно поляризованное излучение канала передачи, что снижает величину мощности передатчика, просачивающейся к рупорному облучателю 3 канала приема (приемное устройство на чертеже не показано), и далее излучение попадает на трансрефлектор 1 и ротафлектор 2 и излучается в виде волны, вращающейся в определенном направлении поляризации. Принимаемый сигнал с обратным направлением вращения поляризации, отражаясь от трансрефлектора 1 и ротафлектора 2, будет иметь в нашем случае вертикальную поляризацию, для этого сигнала практически поляризационно-селективная поверхность малого гиперболического зеркала 5 прозрачна. Поляризационно-селективная поверхность малого гиперболического зеркала 5 может быть осуществлена фрезерованием системы щелей на поверхности малого гиперболического зеркала 5 так, чтобы коэффициент отражения энергии с поляризацией канала передачи составлял величину порядка 20-30 дБ, а коэффициент прохождения с ортогональной к нему поляризацией канала приема обеспечивал потери порядка 0,1 дБ. Тогда, общая развязка между каналами прием/передача, создаваемая поляризационно-селективной поверхностью малого гиперболического зеркала 5 и ортогональностью каналов приема-передачи, будет не меньше изоляции, создаваемой системой из двух антенн в 50-70 дБ.
Метод расчета характеристик поляризационно-селективных поверхностей (коэффициентов отражения и прохождения) и их конструктивное исполнение изложены в [6, стр.82; 12, стр.105].
Для осуществления первоначальной регулировки, устраняющей влияние допусков на установку ортогональности волноводных каналов прием-передача и ротафлектора 2, рупорный облучатель 3 канала приема и малое гиперболическое зеркало 5, имеющее поляризационно-селективную поверхность, могут при первоначальной регулировке антенной системы вращаться вокруг своих продольных осей с помощью микрометрических винтов 10 и 9 для достижения максимальной развязки между каналами.
Многомодовый рупорный облучатель 3 линейной поляризации канала приема располагается в фокусе главного параболического зеркала 1, совмещенном со вторым фокусом малого гиперболического зеркала 5, и осуществляет прием сигналов с поляризацией ортогональной поляризации канала передачи.
Г
В
Для реализации пеленгации цели амплитудным суммарно-разносным (моноимпульсным) способом используется многомодовый рупорный облучатель 3 канала приема, к которому подключена волноводная система 6, позволяющая сформировать опорную опорную (общую) суммарную ДН (Σ) и две (азимутальную Δθ и угломестную Δθ) разностных диаграммы направленности (ДН). Основными достоинствами многомодовых облучателей являются [13, стр.26; 14, стр.194]:
- обеспечение неразделенной апертурой эффективности связи с антенной для формирования суммарного канала;
- малогабаритность и простота конструкции, обеспечивающие малые потери, небольшую массу и малое затенение апертуры;
- короткая симметричная структура, обеспечивающая не зависящую от частоты стабильность равносигнальной оси.
- обеспечение нечувствительности к амплитудным флуктуациям сигнала цели и высокой помехоустойчивости по отношению к активным помехам.
Принцип работы многомодового облучателя, характеристики и образец конструкции изложены в [13, стр.26].
ЛИТЕРАТУРА
1. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория. Справочник. Под ред. Ширмана Я.Д. М.: ЗАО «МАКВИС», 1998, 825 с.
2. Сколник М. Введение в технику радиолокационных систем. М.: МИР, 1965, 747 с.
3. Винницкий А.С. Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. М.: Сов. Радио, 1961, 494 с.
4. Бакулев П.А. Радиолокационные методы селекции движущихся целей. М.: Оборонгиз, 1958. (стр.18).
5. Харвей А.Ф., Техника СВЧ, т.2. М.: Сов. радио, 1965, стр.323-332.
6. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарачев В.А., Поляризация радиоволн, кн.2. Радиолокационные поляриметры. М.: Радиотехника, 2007, 640 с.
7. Laaff O.: Tunable Arial Duplexer, Fernmeldetech. Z., 1954, 7, p.688.
8. Fellers R.G., A Circular - Polarization Duplexer for Millimeter Waves, Common. Electronics, 1960, No.46, January, p.934.
9. Ramsay J.F., Circular polarization for CW radar, Marconi Rev., 1952, v.15, p.71-89.
10. Meyer M.A. and Goldberg H.B., Applications of the Turnstile junction, Trans. IRE, 1955, MTT-3, No.6, p.40.
11. Свистов В.М. Радиолокационные сигналы и их обработка. М.: Сов. радио, 1977, стр.273-276.
12. Конторович М.И. и др. Электродинамика сетчатых структур. М.: Радио и связь, 1987, 131 с.
13. Справочник по радиолокации под ред. М. Сколник, т.4. М.: Сов. радио, 1978 (стр.26-28, рис.26-6).
14. Фельдман Ю.И. и др. Сопровождение движущихся целей. М.: Сов. радио, 1978, стр. 194.