ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩАЯ СИСТЕМА АЭРОЛОГИЧЕСКОГО РАДИОЛОКАТОРА

Полезная модель относится радиотехнике и может быть использовано для приема телеметрической информации, измерения угловых координат и дальности до аэрологического радиозонда (АРЗ) импульсным методом на одной несущей частоте, также может быть использовано для построения высокостабильных и экономичных приемо-передающих устройств радиолокационных систем.
Общей проблемой приемо-передающих систем аэрологических радиолокаторов является создание недорогих и высоконадежных устройств работающих в условиях большого динамического диапазона изменения сигнала радиозонда и значительных угловых ускорений при его запуске.
Известен аэрологический радиолокатор типа АВК-1 приемопередающая система, которого содержит параболическую антенну с облучателем, выход облучателя с помощью металлического коаксиального волновода и вращающихся сочленений соединен с потенциалотроном, который в приемном режиме выполняет роль параметрического малошумящего усилителя, в передающем режиме является мощным импульсным передатчиком запросного сигнала. В приемном режиме выход потенциалотрона подключен к линейной части приемного устройства содержащего смесители, гетеродины, усилители промежуточной частоты. В передающем режиме на управляющий вход потенциалотрона подается высоковольтный импульс напряжения, который переводит его в режим генерации мощного запросного радиоимпульса. Для обеспечения пеленга радиозонда по методу равносигнальной зоны диаграмма направленности антенны сканирует с помощью вращающегося облучателя. Ширина диаграммы направленности составляет порядка 6 градусов. Это обеспечивает точное определение угловых координат радиозонда. Однако недостатком этого устройства является частый срыв автосопровождения радиозонда при пуске в условиях сильных ветров из-за узкой диаграммы
направленности (см. А.А.Ефимов. Принцип работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1. - М.: Гидрометеоиздат, 1989. 149 с.; Н.А.Зайцева. Аэрология. Учебник для техникумов. Ленинград. Гидрометеоиздат. 1990. 325 с.).
Известен аэрологический радиолокатор «Бриз» приемопередающая система которого содержит фазовые коммутаторы, ферритовый циркулятор, задающий автогенератор СВЧ и фазированную антенную решетку, цифровой блок обработки информации и управления, центральный пульт управления и линейную часть приемного устройства, отличающаяся тем, что система разделена на два канала: ближний канал и дальний канал, содержащие фазовые коммутаторы ближнего/дальнего каналов, а фазированная антенная решетка разделена на четырехсегментную антенную решетку - решетку дальнего канала и малую антенную решетку - ближнего канала; причем малая антенная решетка расположена в центре четырехсегментной антенной решетки; ближний канал содержит: соединенные последовательно первый фазовый коммутатор, первый вход малошумящего усилителя; дальний канал содержит соединенные последовательно второй фазовый коммутатор, ферритовый циркулятор и второй вход малошумящего усилителя; выход малошумящего усилителя соединен с входом линейной части приемного устройства РЛС. Выход линейной части приемного устройства РЛС соединен с цифровым блоком обработки и информации РЛС, который входной и выходной шиной соединен с ЦПУ РЛС (см. Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк С.П. «Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и применения радиозондовых измерительных средств» / Под ред. В.Э.Иванова. Екатеринбург. УрО РАН. 2004. 596 с. ISBN 5-7691-1513-0. (см. стр.74-88. ПРОТОТИП). Введение широкоугольной антенны ближнего канала (ширина диаграммы направленности около 25 градусов) обеспечивает высокую надежность автосопровождения радиозонда при пуске в условиях сильных ветров. При удалении радиозонда на расстояние 500-1000 метров происходит автоматическое переключение малошумящего усилителя на работу с
антенной дальнего канала. Недостатком прототипа является слабая помехозащищенность от внешних активных помех из-за отсутствия помехоподавляющих фильтров, недостаточной мощности и значительного уровня внеполосных излучений передатчика запросного сигнала.
Технической задачей полезной модели является повышение помехозащищенности радиосистемы, снижения уровня внеполосных излучений, обеспечение максимальной дальности действия радиосистемы, а также повышение точности сопровождения аэрологических радиозондов (АРЗ):
- во время пуска при больших угловых ускорениях в условиях сильной ветровой нагрузки, особенно в зонах Арктики и Антарктики;
- при сопровождении АРЗ на предельных наклонных дальностях до 180-200 км.
Для решения поставленной задачи предлагается приемо-передающая система аэрологического радиолокатора, содержащая фазовый коммутатор, ферритовый циркулятор, передатчик СВЧ с полосовым фильтром и фазированную антенную решетку, цифровой блок обработки информации и управления, центральный пульт управления и линейную часть приемного устройства, отличающаяся тем, что система разделена на два канала: ближний канал и дальний канал и общую для обоих каналов часть, содержащую СВЧ-коммутатор ближнего/дальнего каналов, перестраиваемый полосовой СВЧ-фильтр, МШУ, полосовой СВЧ-фильтр и буферный усилитель СВЧ, а фази-рованная антенная решетка разделена на четырехсегментную антенную решетку - решетку дальнего канала и малую антенную решетку - ближнего канала; каждый сегмент дальнего канала содержит решетку из двенадцати излучателей, а малая антенная решетка ближнего канала содержит четыре одиночных излучателя, причем малая антенная решетка расположена в центре четырехсегментной антенной решетки дальнего канала; ближний канал содержит: первый фазовый коммутатор БК, дальний канал содержит второй фазовый коммутатор ДК и ферритовый циркулятор, выход фазового коммутатора БК соединен с первым входом СВЧ-коммутатора ближнего/дальнего
канала, выход которого через последовательно соединенные перестраиваемый полосовой СВЧ-фильтр, МШУ, полосовой СВЧ-фильтр, буферный усилитель СВЧ и линейную часть приемного устройства РЛС соединены с цифровым блоком обработки и информации РЛС, который входной и выходной шинами соединен с ЦПУ РЛС; цифровой блок обработки информации и управления РЛС первой управляющей шиной соединен с первым управляющим входом: передатчика СВЧ, с вторым управляющим входом СВЧ-коммутатора БК/ДК и управляющим входом малошумящего усилителя, второй управляющей шиной - с управляющими входами обоих фазовых коммутаторов, третьей управляющей шиной - с управляющим входом коммутатора ближнего/ дальнего каналов; четвертой управляющей шиной - с вторым управляющим входом передатчика СВЧ, пятой управляющей шиной - с управляющим входом полосового СВЧ-фильтра; передатчик СВЧ через полосовой фильтр соединен с управляющим входом ферритового циркулятора, выход которого соединен с вторым входом СВЧ-коммутатора БК/ДК; выход контроля мощности второго фазового коммутатора второй сигнальной шиной соединен с входом цифрового блока обработки информации и управления РЛС, с которым также второй контрольной шиной соединен выход контроля мощности антенной решетки дальнего канала; выходы излучателей антенной решетки ближнего канала соединены однонаправленными шинами с сигнальными входами первого коммутатора, а излучатели антенной решетки дальнего канала двунаправленными шинами входа/выхода соединены с сигнальными входами второго коммутатора, который двунаправленной шиной соединен с входом/выходом ферритового циркулятора.
На фиг.1 изображена структурная схема приемопередающей системы, на фиг.2 - фазированной антенны, на которых показано: 1 - собственно приемо-передающая система. 2 - четырехсегментная ФАР ближнего канала (БК), 3 - четырехсегментная ФАР дальнего канала (ДК), 4 - ферритовый циркулятор, 5 - полосовой фильтр СВЧ, 6 и 7 - фазовые коммутаторы: первый БК и второй ДК соответственно, 8 - полосовой фильтр ДК, 9 -
передатчик СВЧ, 10 - полосовой фильтр БК, 11 и 12 - МШУ БК и ДК соответственно, 13 - буферный усилитель СВЧ, 14 - полосовой СВЧ-фильтр, 15 - коммутатор БК/ДК, 16 - линейная часть приемного устройства РЛС, 17 - цифровой блок обработки информации и управления РЛС, 18 - центральный пульт управления РЛС, 19 - малая антенная решетка, 20 - непосредственно антенна, первую-четвертую шины управления, первую-вторую сигнальные шины, двунаправленные шины 4×12 входа/выхода ДК и четыре однонаправленные шины БК (шины последних двух позиций идут с обеих антенных решеток).
Схема содержит и имеет следующие соединения. Приемо-передающая система аэрологического радиолокатора 16, разделена на два канала: ближний канал и дальний канал и общую для обоих каналов часть, содержащую СВЧ-коммутатор ближнего/дальнего каналов 10, перестраиваемый полосовой СВЧ-фильтр 9, МШУ 8, полосовой СВЧ-фильтр 11, и буферный усилитель СВЧ 12, а фазированная антенная решетка разделена на четырехсегментную антенную решетку - решетку дальнего канала 2 и малую антенную решетку 1 - ближнего канала; каждый сегмент дальнего канала содержит решетку из двенадцати излучателей, а малая антенная решетка ближнего канала содержит четыре одиночных излучателя, причем малая антенная решетка расположена в центре четырехсегментной антенной решетки дальнего канала; ближний канал содержит: первый фазовый коммутатор БК 5, дальний канал содержит второй фазовый коммутатор ДК 6 и ферритовый циркулятор 3, выход фазового коммутатора БК5 соединен с первым входом СВЧ-коммутатора ближнего/дальнего канала 10, выход которого через последовательно соединенные перестраиваемый полосовой СВЧ-фильтр 9, МШУ 8, полосовой СВЧ-фильтр 11, буферный усилитель СВЧ и линейную часть приемного устройства РЛС 13 соединены с цифровым блоком обработки и информации РЛС 14, который входной и выходной шинами соединен с ЦПУ РЛС; цифровой блок обработки информации и управления РЛС 14 первой управляющей шиной соединен: с первым управляющим входом передатчика СВЧ 7, с вторым управляющим входом СВЧ-коммутатора БК/ДК 10 и
управляющим входом малошумящего усилителя 8, второй управляющей шиной - с управляющими входами обоих фазовых коммутаторов 5 и 6, третьей управляющей шиной - с управляющим входом СВЧ-коммутатора ближнего/дальнего каналов 10; четвертой управляющей шиной - с вторым управляющим входом передатчика СВЧ 7, пятой управляющей шиной - с управляющим входом полосового СВЧ-фильтра 11; передатчик СВЧ 7 через полосовой фильтр 4 соединен с управляющим входом ферритового циркулятора 3, выход которого соединен с вторым входом СВЧ-коммутатора БК/ДК 10; выход контроля мощности второго фазового коммутатора 6 второй сигнальной шиной соединен с входом цифрового блока обработки информации и управления РЛС 14, с которым также второй контрольной шиной соединен выход контроля мощности антенной решетки дальнего канала 2; выходы излучателей антенной решетки ближнего канала 1 соединены однонаправленными шинами с сигнальными входами первого коммутатора 5, а излучатели антенной решетки дальнего канала 2 двунаправленными шинами входа/выхода соединены с сигнальными входами второго коммутатора 6, который двунаправленной шиной соединен с входом/выходом ферритового циркулятора 3.
Указанные узлы принципиальной электрической схемы могут быть выполнены на следующих электрорадиоэлементах: фазированные микрополосковые антенны ближнего и дальнего каналов выполнены на металлических микрополосковых линиях и вибраторах (см. Электродинамический расчет характеристик полосковых антенн / Б.А.Панченко и др. - М.: Радио и связь, 2002. - 256 с.: ил.); фазовые коммутаторы ближнего и дальнего каналов выполнены на микрополосковых линиях и p-i-n диодах (см. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М.: Радио и связь. 1988. 288 с.); ферритовый циркулятор поставляется как комплектующее изделие (Рекламные материалы ОАО «Ферроприбор», e-mail: info@rusgates.ru; см. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М.: Радио и связь. 1988. 288 с.); полосовые фильтры и перестраиваемые полосовые
фильтры построены на стержневых резонаторах с перестройкой частоты варикапами (см. Конструкторско-технологические основы проектирования полосковых микросхем / И.П.Бушминский, А.Г.Гудков, В.Ф.Дергачев и др.; Под ред. И.П.Бушминского. М.: Радио и связь, 1987. 272 с.; Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / С.И.Бахарев, В.И.Вольман, Ю.Н.Либ и др.; Под ред. В.И.Вольмана. М.: Радио и связь, 1982. 328 с.); СВЧ-передатчик построен на мощных биполярных транзисторах (см. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М.: Радио и связь. 1988. 288 с.); малошумящие усилители ближнего и дальнего каналов и буферный усилитель выполнены по микрополосовой технологии на современных СВЧ-транзисторах (см. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М.: Радио и связь. 1988. 288 с.); коммутаторы выполнены на переключательных СВЧ-транзисторах (см. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М.: Радио и связь. 1988. 288 с.); линейная часть супергетеродинного приемного устройства, цифровой блок обработки информации и управления РЛС, центральный пульт управления РЛС построены по классическим цифровым технологиям обработки информации на основе микропроцессорной техники (см. Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк С.П. «Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и применения радиозондовых измерительных средств» / Под ред. В.Э.Иванова. Екатеринбург. УрО РАН. 2004. 596 с. ISBN 5-7691-1513-0, см. стр.74-88).
Устройство 16 работает следующим образом (см. фиг.1). Цифровой блок обработки информации и управления РЛС (БОИ) 14 работает по командам центрального пульта управления (ЦПУ) РЛС 15 реализованного в виде ПЭВМ.
Диапазон рабочих частот приемопередающей системы находится в пределах 1670-1690 МГц. Ширина спектра принимаемого сигнала
радиозонда составляет 3-4 МГц. При запуске радиозонда в полет система сначала работает в режиме приема на антенну 1 ближнего канала (БК), а затем при удалении на 500-1000 метров в режиме приема на антенну 2 дальнего канала (ДК). Переключение режимов осуществляется по команде ЦПУ 15 выдачей сигнала блока БОУ 14 по шине управления 4 на коммутатор БК/ДК 10.
Блок БОУ 14 по шине управления 2 непрерывно вырабатывает последовательность импульсов обеспечивающих переключение фазовых коммутаторов (ФК БК 5) и (ФК ДК 6) таким образом, чтобы диаграммы направленности ФАР БК 1 и ФАР ДК 2 синхронно отклонялись от нормали на 3 градуса и последовательно занимали положение вверх/вниз, влево/вправо. Это обеспечивает автоматическое сопровождение радиозонда по угловым координатам по методу равносигнальной зоны.
Сигнал радиозонда, содержащий телеметрическую информацию и информацию углового положения, принятый антенной 1 с выхода ФК БК 5 поступает через СВЧ-коммутатор БК/ДК 10 на перестраиваемый полосовой фильтр ПФ 9, усиливается в МШУ 8, поступает на ПФ 11, дополнительно усиливается в буферном усилителе БУ 12 и далее по коаксиальному кабелю подается на линейную часть супергетеродинного приемного устройства РЛС (ПрМ РЛС) 13, построенного по классической схеме, где осуществляется его оптимальная обработка. В блоке БОУ 14 информация обрабатывается и распределяется по соответствующим подсистемам.
Полосовой СВЧ-фильтр 11 имеет полосу пропускания 4МГц. Настройка частоты этого фильтра в пределах рабочего диапазона частот 1670-1690 МГц осуществляется по шине управления 5 сигналом, вырабатываемым блоком БОУ 14 по данным поступающим от системы автоподстройки частоты ПрМ РЛС 13. Это позволяет эффективно принимать сигнал радиозонда и максимально защитить МШУ 8 и приемное устройство от активных помех попадающих в диапазон рабочих частот радиосистемы.
Для увеличения динамического диапазона работы приемное устройство радиосистемы снабжено системой автоматического регулирования усиления
МШУ 8 (АРУ МШУ). Сигнал управления АРУ вырабатывает ПрМ РЛС 13.
При работе в режиме ДК сигнал с выхода ФАР ДК 2 поступает на ФК ДК 6 и далее на первый вход ФЦ 3. С выхода ФЦ 3 сигнал радиозонда поступает на второй коммутатора БК/ДК 10, далее на общие блоки 9, 8, 11 и 12 РЛС.
Для определения наклонной дальности до радиозонда радиосистема 16 снабжена передатчиком импульсного запросного сигнала состоящего из передатчика СВЧ 7 и полосового фильтра 4. На радиозонде установлен радиолокационный передатчик - ответчик, обеспечивающий на одной несущей частоте передачу телеметрического сигнала и формирование импульсного ответного сигнала дальности при поступлении запросного радиоимпульса. Запуск передатчика СВЧ 7 осуществляется импульсом длительностью 1 мкс, вырабатываемым блоком БОУ 14 и поступающим по шине управления 1 на вход передатчика СВЧ 7. Одновременно этот импульс поступает на входы МШУ 8 запирает и защищает их на время излучения мощного радиоимпульса передатчика СВЧ 7. Запросный радиоимпульс через ПФ 4, ФЦ 3, ФК ДК 6 и ФАР ДК 2 излучается в направлении на радиозонд. Полосовой фильтр 4 осуществляет фильтрацию внеполосного излучения передатчика СВЧ 7 и обеспечивает электромагнитную совместимость с другими внешними радиосистемами. Контроль и измерение мощности запросного передатчика осуществляется с помощью сигнала поступающего с выхода ФАР ДК 2 по контрольной шине 2 на вход блока БОУ 14. Контроль и измерение мощности запросного передатчика осуществляется также с помощью сигнала поступающего с выхода ФК ДК 6 по контрольной шине 1 на вход блока БОУ 14.
На структурной схеме (фиг.1) выход ФК БК 5 подключен входу 1 СВЧ-коммутатора БК/ДК 10, а выход ФЦ 3 подключен к входу 2 СВЧ-коммутатора БК/ДК 10. Переключение режима работы БК/ДК осуществляется по команде блока БОУ сигналом поступающим по шине управления 3 на управляющий вход 1 СВЧ-коммутатора БК/ДК 10. Импульс запуска с выхода
блока БОУ 14 по шине управления 1 поступает на вход 1 СВЧ передатчика 7 и одновременно обеспечивает защиту ПРМ РЛС поступая на управляющий вход 2 СВЧ-коммутатора БК/ДК 10 и на вход МШУ 8 запрещая их работу. Кроме того СВЧ-коммутатор БК/ДК 10 дополнительно выполняет функцию регулируемого аттенюатора в пределах от 0,4дБ до 35-40дБ, тем самым, увеличивая динамический диапазон работы МШУ 8. По шине управления 1 сигнал блока БОУ 14 поступает на вход 1 СВЧ-передатчика 7 и управляет его частотой. По контрольным шинам 1 и 2 на вход блока БОУ 14 поступают сигналы контроля мощности а ФАР ДК 2 и ФК ДК 6.