УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ И ИЗЛУЧЕНИЯ МОЩНЫХ РАДИОИМПУЛЬСОВ
DEVICE FOR FORMATION AND RADIATION OF POWERFUL RADIOIMPULSES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в различных устройствах, требующих получения радиоимпульсов с высокой импульсной мощностью, например в системах дальней космической связи и радиолокации.
Уровень техники
Известно устройство формирования мощных импульсных сигналов на сканирующей фазированной антенной решетке [1], позволяющее увеличивать импульсную мощность сигнала с помощью накопления энергии в линиях задержки. Это же устройство является прототипом для изобретения.
Недостатком прототипа является сложность изготовления устройства с большой эффективной поверхностью передающей апертуры, а следовательно, увеличение энергопотенциала устройства за счет увеличения этой поверхности. Это обусловлено использованием в прототипе в качестве излучающих элементов рупорных антенн (волноводных или коаксиальных), линейные размеры апертуры которых, как правило, не превышают 10…20 длин волн сигнала при количестве элементов в решетке несколько сотен.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является увеличение энергопотенциала (произведения эффективной поверхности передающей антенны и подводимой к ней мощности). Решение задачи изобретения достигается тем, что в отличие от известного устройства, передающая антенна которого излучает сформированный сигнал непосредственно в заданном направлении, в предлагаемом устройстве передающая антенна прототипа используется в качестве облучателя вспомогательного зеркала (контррефлектора) двухзеркальной параболической антенны. Для этого передающая антенна прототипа фокусируется в точку, отличающуюся от точки фокуса параболической антенны. Эта точка является точкой фокуса вспомогательного зеркала. Взаимное расположение контррефлектора, точки фокуса параболической антенны и точки фокусировки передающей антенны определяет форму контррефлектора. Предлагаемое техническое решение позволит использовать для излучения мощных радиоимпульсов крупноапертурные зеркальные антенны с эффективной поверхностью до тысяч квадратных метров.
Описание чертежей
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - изображение прототипа в аксонометрической проекции. На фиг. 3 показаны возможные сечения формы вспомогательного зеркала для различных вариантов взаимного расположения вспомогательного зеркала в случае, когда фокус основного зеркала находится дальше точки фокусировки фазированной антенной решетки (ФАР) проходного типа. Фиг. 4 иллюстрирует вывод уравнения вспомогательного зеркала в случае, когда фокус основного зеркала находится дальше точки фокусировки ФАР проходного типа. Фиг. 5 показывает сечение гиперболического вспомогательного зеркала в случае, когда фокус основного зеркала находится дальше точки фокусировки ФАР проходного типа. На фиг. 6 - фиг. 9 приведены нормированные распределения плотности потока мощности (ППМ) на плоскости приемной апертуры ФАР проходного типа для четырех моментов времени при сканировании диаграммы направленности (ДН) сканирующей решетки.
Осуществление изобретения
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1.
Устройство содержит прототип, который включает в себя передающую фазированную антенную решетку (1) со сканирующей диаграммой направленности (ДН) и ФАР проходного типа, состоящую из приемных антенных элементов (2), линий задержки (3), фазовращателей (4), передающих антенных элементов (5). Дополнительно в состав устройства введена двухзеркальная антенна, состоящая из основного параболического зеркала (6) и вспомогательного зеркала (7).
ДН
ск
Изображение прототипа в аксонометрии приведено на фиг. 2. Прототип является частью предлагаемого устройства и работает следующим образом. При сканировании ДН ФАР (1) на выходе каждого приемного элемента (2) ФАР проходного типа формируется импульсный сигнал, форма которого повторяет форму ДН, а длительность равна  (где Θ - ширина диаграммы направленности антенны, V - скорость сканирования). Максимум импульсного сигнала на выходе двух соседних приемных элементов (2), находящихся на угловом расстоянии α, сдвинут во времени на величину . Этот сдвиг компенсируется линиями задержки (3), в результате импульсные сигналы поступают на передающие элементы (5) ФАР проходного типа одновременно. Фазовое распределение на передающей апертуре (3) ФАР проходного типа создается с помощью фазовращателей (4).
ск
ск
ск
ск
0
ск
0
ск
u
ДН
За время сканирования t=Θ/V в заданном секторе углов Θ ФАР (1) излучает энергию Э=Pt, где Р - суммарная мощность, подводимая ко всем передающим элементам многочастотной антенной решетки (МЧАР). Приемная решетка (2) собирает эту энергию, а линии задержки (3) в каналах ФАР позволяют накопить эту энергию за время t и переизлучить ее передающими элементами (3) ФАР за время τ. Можно считать, что практически вся мощность, подводимая к сканирующей ФАР, сосредоточена в главном лепестке ее ДН с угловой шириной Θ. В результате импульсная мощность сигнала, излучаемого рассматриваемым устройством, будет равна:
Поскольку максимальная ширина сектора сканирования МЧАР определяется шириной ДН одного элемента, при плотной упаковке элементов этой решетки (когда расстояние между центрами элементов равно размеру одного элемента) получим:
1
где N - количество элементов сканирующей ФАР; Р – мощность, подводимая к одному элементу этой ФАР.
Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что в схему дополнительно введена двухзеркальная параболическая антенна, состоящая из основного параболического зеркала (6) и вспомогательного зеркала (7), при этом ФАР проходного типа выступает в качестве облучателя вспомогательного зеркала. Важной особенностью предлагаемого устройства является то, что передающая апертура ФАР проходного типа сфокусирована на точку, не совпадающую с точкой фокуса параболического зеркала.
Для осуществления изобретения необходимо, чтобы поверхность равной фазы для сигнала, отраженного вспомогательным зеркалом, имела вид сфероида. В этом случае от параболоида отражается сигнал с плоским фронтом волны [2]. Определим форму вспомогательного зеркала, обеспечивающую выполнение этого условия.
Возможны два варианта взаимного расположения точки фокуса параболоида и точки, в которую сфокусирован передающий раскрыв ФАР проходного типа.
Первый вариант, показанный на фиг. 3, - точка фокусировки передающего раскрыва F1 находится ближе к основному зеркалу, чем фокус основного зеркала F2. В этом случае лучи сигнала, излучаемого передающей апертурой ФАР, сначала сходятся в точке F1, а далее расходятся, образуя сферический фронт волны, падающей на вспомогательное зеркало. В результате этот вариант повторяет стандартную схему двухзеркальной антенны [3], в которой вместо реального излучателя с фазовым центром в точке F1 можно говорить о виртуальном излучателе в этой точке. Форма вспомогательного зеркала в этом случае либо плоская - 1, либо является поверхностью второго порядка с фокусами в точках F1 и F2: гиперболоид, выпуклый в направлении основного зеркала, - 2 (схема Кассегрена) или эллипсоид, выпуклый в направлении от зеркала, - 3 (схема Грегори).
Второй вариант показан на фиг. 4 - точка фокусировки передающего раскрыва F1 находится дальше от основного зеркала, чем фокус основного зеркала F2. ФАР проходного типа формирует сходящийся сферический фронт с центром в точке F1. Чтобы сигнал при отражении от вспомогательного зеркала тоже имел сферический фронт с центром в точке F2, должно выполняться условие (R1-r1)+(R2-r2)=const, где R1, R2 - радиусы сферы с центрами в точках F1 и F2 соответственно; r1, r2 - расстояния от поверхности вспомогательного зеркала до точек F1 и F2 соответственно. Это условие приводит к уравнению, описывающему поверхность вспомогательного зеркала:
r1+r2=const,
которое является эллипсоидом вращения, повернутым выпуклой стороной к основному зеркалу. Аналогично можно показать возможность создания вспомогательного зеркала в виде усеченного гиперболоида вращения, повернутого к основному зеркалу вогнутой стороной (фиг. 5).
2
Рассмотрим пример реализации предлагаемого устройства. Линейная сканирующая решетка состоит из 11 волноводных пирамидальных рупоров с размерами раскрыва 0,15×0,2 м (размер 0,15 м - вдоль оси X, система координат показана на фиг. 2). Поляризация параллельна оси Y. На каждый рупор подается сигнал клистрона КИУ-114Б [4], работающего в S-диапазоне длин волн и имеющего выходную мощность до 10 МВт. Таким образом, сканирующая решетка излучает сигнал с мощностью 110 МВт.
2
2
2
2
ФАР
ФАР
Приемная апертура ФАР проходного типа находится на расстоянии 3 м от сканирующей решетки. С целью определения размеров приемной апертуры были произведены расчеты ППМ в плоскости апертуры при сканировании ДН. В дальней зоне сканирующей решетки размеры определяются парциальной ДН одного рупора этой решетки. Однако в рассматриваемом случае приемная апертура находится в зоне Френеля, поэтому ППМ, создаваемая сканирующей решеткой, рассчитывалась методом геометрической оптики как суперпозиция полей, создаваемых всеми рупорами сканирующей решетки. Для расчета производилось численное интегрирование поля по раскрыву каждого рупора в соответствии с выражениями, приведенными в [5]. На фиг. 6 - фиг. 9 приведены результаты расчетов ППМ в плоскости приемной апертуры ФАР проходного типа для различных положений максимума сканирующей ДН. Сканирование ДН происходит в направлении уменьшения координаты X (система координат показана на фиг. 2). Поскольку расстояние между элементами сканирующей решетки больше половины длины волны, на графиках появляется второй дифракционный максимум. В качестве критерия, определяющего размер приемной апертуры, был принят спад ППМ на краях апертуры до уровня 0,1 от максимума ППМ. Таким образом, приемная решетка имеет размеры 3,9×2,4 м и площадь S=9,36 м при количестве пирамидальных рупоров 13×8 и размере каждого рупора 0,3×0,3 м. Передающая апертура ФАР проходного типа состоит из такого же количества рупоров и имеет те же размеры и ту же площадь. В качестве линий задержки использованы волноводные линии требуемой длины. В результате накопления энергии в линиях задержки выходная импульсная мощность увеличивается до уровня не менее 1 ГВт. Тогда при диаметре параболического зеркала D=20 м площадь его апертуры S=πD/4=314,16 м в 33,6 раза превосходит S, то есть коэффициент затенения основного зеркала незначителен, а энергопотенциал прототипа может быть увеличен более чем на порядок. Используя соотношение (1) и известное выражение для расчета коэффициента усиления антенны через эффективную поверхность раскрыва, можно определить энергопотенциал рассмотренного устройства как
где ξ - КПД устройства, определяемый потерями от передающих клистронов до вспомогательного зеркала; η - коэффициент использования поверхности основного зеркала. Задавшись значениями ξ=0,6 и η=0,6, можно получить значение энергопотенциала ~142 дБВт.
Библиографические данные
1. Воробьев Н.В., Грязнов В.А., Ягольников С.В. Устройство формирования мощных импульсных сигналов на сканирующей антенной решетке. Патент RU 2329576, МПК H01Q 21/00. Приоритет от 2007.10.01. Опубликовано 20.07.2008.
2. Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Под ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. Ч. 1. М.: «Связь», 1977, стр. 312-315.
3. Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Под ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. Ч. 2. М.: «Связь», 1977, стр. 4-8.
4. Генераторы и усилители СВЧ. Под ред. И.В. Лебедева. - М.: «Радиотехника», 2005, стр. 53.
5. Драбкин А.Л. Антенно-фидерные устройства. Изд. 2-е, доп. и переработ. М.: «Сов. радио», 1974, стр. 252-253.