РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ
RADIOLOCATING REFLECTOR WITH CONTROLLED POLARISATION PROPERTIES

Изобретение относится к радиолокационной технике и может служить в качестве маркерного отражателя при решении задач навигации по пассивным маякам, а также калибровочным отражателем при калибровке поляризационных РЛС.
Известен радиолокационный отражатель (Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. / Поляризация радиолокационных сигналов. // М.: Сов. радио, 1966, с.374-375), выполненный на основе закороченной зеркальной антенны с симметричным облучателем, выход круглого волновода соединен с прямоугольным волноводом при помощи переходной секции, причем в круглом волноводе облучателя установлена четвертьволновая пластинка, плоскость которой ориентирована под регулируемым углом к осям прямоугольного волновода. Выход прямоугольного волновода закорочен.
Недостатки этого устройства заключаются в том, что устройство-аналог может имитировать ограниченный класс взаимных отражателей, что ограничивает его возможности в задаче имитации произвольных, в том числе невзаимных радиолокационных объектов.
Известен радиолокационный отражатель с управляемыми поляризационными свойствами (а.с. SU №1821855, МКИ H01Q 15/18, опубл. 15.06.93), выбранный нами за прототип, который включает излучатель, выполненный в виде отрезка круглого волновода, внутри которого размещена четвертьволновая диэлектрическая пластинка, а его конец соединен соосно с секцией круглого волновода через вращающееся сочленение, поляризационный разделитель, вход которого соединен с секцией круглого волновода, первый и второй аттенюаторы, управляемый фазовращатель, вход которого соединен с выходом первого аттенюатора, причем выходы второго аттенюатора и управляемого фазовращателя закорочены. Радиолокационный отражатель позволяет имитировать свойства обратного рассеяния любого из возможных в природе отражателей электромагнитного поля с взаимными свойствами обратного рассеяния радиоволн. При этом параметры обратного рассеяния отражателя оперативно и наглядно задаются путем регулировки коэффициентов передачи фазовращателей и аттенюаторов, входящих в его функциональную схему.
Недостатком данного устройства является то, что оно не может имитировать невзаимные отражатели, для которых в общем случае матрица обратного рассеяния несимметрична.
Основная техническая задача состоит в создании радиолокационного отражателя с управляемыми поляризационными свойствами, функциональные возможности которого позволят решать задачи имитации рассеивающих свойств любых радиолокационных объектов, в том числе с невзаимными свойствами обратного рассеяния.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в радиолокационном отражателе с управляемыми поляризационными свойствами, содержащем излучатель, выполненный в виде отрезка круглого волновода, внутри которого размещена четвертьволновая диэлектрическая пластинка, а его конец соединен соосно с секцией круглого волновода через вращающееся сочленение, поляризационный разделитель, вход которого соединен с секцией круглого волновода, первый и второй управляемые аттенюаторы, первый управляемый фазовращатель, вход которого соединен с выходом первого управляемого аттенюатора, причем выходы второго управляемого аттенюатора и первого управляемого фазовращателя закорочены, согласно предложенному решению введены первый и второй делители мощности, входы которых соединены с плечами поляризационного разделителя, а первые выходы соединены с входами первого и второго управляемых аттенюаторов соответственно, третий управляемый аттенюатор и второй управляемый фазовращатель, вход которого соединен с выходом третьего управляемого аттенюатора, а вход третьего управляемого аттенюатора соединен со вторым выходом первого делителя мощности, первый и второй идентичные трехпортовые циркуляторы и третий фазовращатель, причем первый порт первого циркулятора соединен с выходом второго управляемого фазовращателя, второй порт первого циркулятора соединен с входом третьего фазовращателя, выход третьего фазовращателя соединен с первым портом второго циркулятора, второй порт второго циркулятора соединен со вторым выходом второго делителя мощности, а третий порт первого циркулятора соединен с третьим портом второго циркулятора,
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит параболическое зеркало 1 с симметричным излучателем 2 в виде отрезка круглого волновода, внутри которого размещена четвертьволновая диэлектрическая пластинка 3, а его конец соединен с секцией круглого волновода 4 через вращающееся сочленение 5, поляризационный разделитель 6, соединенный с выходом секции круглого волновода 4, первый 7 и второй 8 делители мощности, входы которых соединены соответственно с плечами поляризационного разделителя 6, первый, второй и третий управляемые аттенюаторы 9, 10, 11, первый и второй управляемые фазовращатели 12 и 13, идентичные первый и второй трехпортовые циркуляторы 14 и 15, третий фазовращатель 16. Вход первого управляемого аттенюатора 9 соединен с первым выходом делителя мощности 7, а выход аттенюатора 9 соединен с входом первого управляемого фазовращателя 12, выход которого закорочен. Вход третьего управляемого аттенюатора 10 соединен со вторым выходом первого делителя мощности 7, а выход третьего аттенюатора 10 соединен с входом второго управляемого фазовращателя 13, выход которого соединен с первым портом первого циркулятора 14. Второй порт первого циркулятора 14 соединен с входом фазовращателя 16, выход которого соединен с первым портом второго циркулятора 15. Третий порт второго циркулятора 15 соединен с третьим портом первого циркулятора 14, а второй порт второго циркулятора 15 соединен со вторым выходом второго делителя мощности 8. Первый выход второго делителя мощности 8 соединен с входом третьего управляемого аттенюатора 11, выход которого закорочен. Все аттенюаторы и фазовращатели схемы отражателя являются двунаправленными пассивными устройствами.
Радиолокационный отражатель работает следующим образом.
0
0
Падающее на радиолокационный отражатель электромагнитное поле eвозбуждает в круглом волноводе излучателя 2 поле, описываемое эти же вектором, которое проходит четвертьволновую диэлектрическую пластинку 3, при этом в секции круглого волновода 4 формируется поле , связанное с полем e соотношением:
ε
1
2
где F- оператор пропускания четвертьволновой диэлектрической пластинки 3, ориентированной под углом ε по отношению к оси 0Х системы координат, образованной осями плеч поляризационного разделителя 6. Поле  возбуждает на выходах плеч поляризационного разделителя 6 два сигнала Е и E. Эти сигналы, поскольку они распространяются в независимых каналах х и у плеч поляризационного разделителя 6, можно записать в виде вектора
1
2
1
2
3
4
Каждый из сигналов Е и Е, при помощи первого и второго делителей мощности 7 и 8 разветвляется на два сигнала (k, k и k, k соответственно, см. чертеж). При этом в каждом из разветвленных каналов сигналы идентичны входным сигналам первого и второго делителей мощности 7 и 8, а их амплитуда уменьшается в  раз. Для простоты мы не учитываем потери в реальном делителе мощности, поскольку это не имеет принципиального значения. На чертеже обозначены составляющие сигналов и их направления распространения.
3
4
1
4
В силу того, что выходы первого и второго делителей мощности 7 и 8 «развязаны» между собой (по принципу работы этих устройств), можно независимо от сигналов k, k рассмотреть прохождение сигналов k и k, через отдельные элементы схемы, при этом можем также записать эти сигналы в виде вектора
а отраженные сигналы  и  определить соотношением
a
1
где  - коэффициент передачи первого аттенюатора 9;
a
2
- коэффициент передачи третьего аттенюатора 11;
1
Δφ - сдвиг фазы во втором управляемом двунаправленном фазовращателе 12 при проходе сигнала в прямом либо обратном направлении.
2
3
Аналогично, в силу того, что первые и вторые выходы делителей мощности 7 и 8 «развязаны», можно независимо рассмотреть прохождение сигналов k и k через отдельные элементы схемы, при этом можем также записать эти сигналы в виде вектора
1
2
3
4
(такого же, как и вектор (3), поскольку k=k, k=k), и отраженные сигналы  и  определить соотношением
a
3
где  - коэффициент передачи второго аттенюатора 10;
2
Δφ - сдвиг фазы во втором управляемом двунаправленном фазовращателе 13 при проходе сигнала в прямом либо обратном направлении.
1
2
Поскольку коэффициент передачи амплитуды сигналов с выходов первого и второго делителей мощности 7 и 8 на его вход равен  (по принципу работы таких устройств), отраженные сигналы R и R можно записать в виде вектора
который описывает отраженное поле  в секции круглого волновода 4, которое распространяется в обратном по отношению к волне  направлении.
p
Поле  проходит четвертьволновую диэлектрическую пластинку 3 в обратном по отношению к волне  направлении и излучается в пространство. При этом отраженное поле e описывается соотношением:
ε
Знак ~ означает операцию транспонирования оператора, либо вектора (в данном случае транспонирование учитывает изменение направления движения волны через четвертьволновую диэлектрическую пластинку 3, которая при прямом прохождении имеет оператор пропускания F (1)).
0
P
Таким образом, учитывая выражения (1), (4), (6,7), выражение (8) можем записать в виде развернутого соотношения, определяющего взаимосвязь между падающим полем е и отраженным полем e:
где  - матрица обратного рассеяния заявляемого отражателя, представленная в системе координат X0Y, образованной осями плеч поляризационного разделителя 6.
OT
Выпишем выражение для матрицы обратного рассеяния отражателя Sв виде суммы двух операторов:
В системе координат, повернутой относительно системы координат X0Y на угол θ, матрица обратного рассеяния отражателя принимает вид:
θ
где R - оператор поворота системы координат на угол θ.
ε
Оператор F пропускания четвертьволновой диэлектрической пластинки 3, ориентированной под углом ε относительно системы координат X0Y, имеет вид:
ε
где R - оператор поворота системы координат на угол ε.
С учетом выражений (12), (13) выражение (11) принимает вид:
поскольку имеет место соотношение:
OT
Таким образом, матрица обратного рассеяния S заявляемого отражателя имеет вид
C
A
Известно (Хлусов В.А. Параметризация матрицы обратного рассеяния невзаимных сред. - Оптика атмосферы и океана. 1995, т.8, №10, 1441-1445), что матрица обратного рассеяния S произвольного, в общем случае частично-невзаимного объекта имеет вид суммы двух операторов, симметричного S и антисимметричного S:
C
где S- симметричный оператор, описывающий взаимные свойства отражателя;
A
S - антисимметричный оператор, описывающий невзаимные свойства отражателя;
C
,  - собственные числа симметричного оператора S;
0
0
C
- унитарный оператор группы вращений векторов Джонса в пространстве их проекций на сферу Пуанкаре, заданный углами эллиптичности ε и ориентации θ собственного базиса симметричного оператора S;
- половинная разность внедиагональных элементов матрицы обратного рассеяния S, определяющая степень невзаимности свойств объекта.
Сумма квадратов модулей величин  определяет эвклидову норму ||S|| матрицы S, которая пропорциональна полной эффективной поверхности обратного рассеяния (ЭПР) отражающего объекта:  Нормированная к величине ||S|| матрица обратного рассеяния (16) принимает вид:
Сравнивая выражение (15) для матрицы обратного рассеяния управляемого радиолокационного отражателя с выражением (17) для произвольного, в общем случае невзаимного объекта, можно видеть их полное совпадение. Таким образом, в силу того, что формы матриц (15) и (17) идентичны, можно утверждать, что управляемый радиолокационный отражатель, схема которого приведена на чертеже, позволяет имитировать свойства обратного рассеяния любого, произвольного отражателя, в том числе с невзаимными свойствами обратного рассеяния радиоволн.
0
0
Для имитации рассеивающих свойств радиолокационного объекта, нормированная матрица обратного рассеяния (17) которого, представленная в системе координат X0Y, имеет собственные числа  нормированную половинную разность внедиагональных элементов  угол эллиптичности ε и угол ориентации θ собственного поляризационного базиса необходимо:
0
- установить угол ε ориентации четвертьволновой диэлектрической пластинки 3 относительно плеч поляризационного разделителя 6, равным ε=ε;
0
0
- установить угол θ ориентации плеч поляризационного разделителя 6 (путем поворота всей конструкции отражателя) относительно системы координат X0Y, равным θ=ε-θ;
- установить ослабление первого аттенюатора 9, равным величине ;
1
- установить значение фазового сдвига в первом управляемом фазовращателе 12, равным величине Δφ=0,5ψ;
- установить ослабление второго аттенюатора 11, равным величине
a
3
3
- установить ослабление третьего аттенюатора 10, равным величине =m;
- установить значение фазового сдвига во втором фазовращателе, равным величине