АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО МОНОИМПУЛЬСНОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
ANTENNA DEVICE FOR MONO-PULSE RADAR SYSTEM

Изобретение относится к антенной технике и, в частности, к антеннам для моноимпульсной радиолокационной системы на беспилотном летательном аппарате.
Среди антенн широкое распространение получили зеркальные антенны [1] с параболическим зеркалом и точечным облучателем, расположенным в фокусе параболы. Сферическая волна радиосигнала, исходящая из облучателя, преобразуется после отражения от зеркала в плоскую волну, распространяющуюся в направлении положительной оси параболоида.
Недостатком таких антенн является большое расстояние от облучателя до зеркала, что делает невозможным их применение на беспилотном летательном аппарате из-за жестких ограничений в части массогабаритных характеристик.
Для уменьшения массогабаритных параметров применяют двухзеркальные антенны Кассегрена, которые широко используются в радиолокации для формирования моноимпульсных диаграмм направленности [2]. Антенна состоит из параболического основного зеркала (рефлектора) и гиперболического дополнительного зеркала (контррефлектора). Облучатель располагается на осевой линии, соединяющей центры контррефлектора и рефлектора, в котором сделано специальное отверстие для облучателя. Сферические волны, излучаемые облучателем, после отражения от контррефлектора распространяются в направлении к рефлектору, и при этом остаются сферическими, исходящими как бы из мнимого фокуса контррефлектора, расположенного за контррефлектором. Рефлектор преобразует сферические волны в плоские, распространяющиеся в направлении оси антенны.
Габаритные параметры такой антенны уменьшены в направлении осевой линии за счет использования контррефлектора. В то же время диаметральные параметры такой антенны остаются большими, что делает невозможным ее использование на беспилотном летательном аппарате.
Наиболее близким к предлагаемому устройству, принятому в качестве прототипа, является антенна [3], состоящая из несущего диэлектрического блока, имеющего с одной стороны покрытую слоем электропроводящего материала поверхность вращения, выполняющую роль основного зеркала, а с противоположной стороны поверхность вращения, также покрытую слоем электропроводящего материала, выполняющую роль вспомогательного облучателя, и блок облучателя, размещенный внутри несущего диэлектрического блока. В такой антенне не только уменьшены осевые параметры за счет использования контррефлектора ориентировочно в два раза, но также все генерирующее оборудование, включая волноводные трассы, усложненные в четыре раза при моноимпульсном принципе радиолокации, могут быть убраны за рефлектор, что также способствует уменьшению габаритных параметров антенны.
В то же время при жестких ограничениях в части массогабаритных параметров, когда диаметр рефлектора не более чем в 7-8 раз превосходит длину волны, наличие отверстия в центре рефлектора с диаметром, соизмеримым с длиной волны, и наличие затеняющего контррефлектора, диаметр которого примерно в 2 раза больше длины волны, существенно снижает коэффициент усиления антенны и делает не эффективным ее использование на беспилотном летательном аппарате, особенно при необходимости обеспечить сканирование пространства возможного положения объектов, например, путем поворота рефлектора, что требует увеличения диаметра отверстия в его центре.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение максимально возможного коэффициента усиления антенны при ограниченном диаметре рефлектора, поворачивающегося в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно продольной оси антенны, а также расширение рабочей полосы несущих частот антенны для повышения помехоустойчивости РЛС.
Сущность изобретения заключается в том, что в антенном устройстве моноимпульсной радиолокационной системы, содержащем суммарно-разностный преобразователь, соединенный с облучателем, подвижный рефлектор с приводом антенны и неподвижный контррефлектор, подвижный рефлектор выполнен в виде параболоида со срезанным верхним сегментом, неподвижный контррефлектор выполнен в виде пластины, проекция которой на вертикальную плоскость симметрии антенного устройства расположена наклонно, под углом 22,5° к проекции на ту же плоскость подвижного рефлектора в его нейтральном положении, четырехканальный облучатель, подключенный к суммарно-разностному преобразователю, установлен в освобожденном после среза сегменте подвижного рефлектора, выполнен изогнутым в сторону неподвижного контррефлектора с расположением центра своей передней оконечности в точке фокуса подвижного параболического рефлектора в его нейтральном положении и состоит из задней и передней конечных четырехканальных секций и прямой соединительной двухканальной секции, которая состыкована с вышеуказанными нижней и верхней конечными четырехканальными секциями посредством двух поворотных на угол 22,5° четырехканальных секций в форме секторов тороидального волновода, а для компенсации разницы в длине наружной и внутренней пары каналов поворотных секций облучателя между внутренними парами каналов первой и второй поворотных четырехканальных секций, симметрично относительно плоскости симметрии облучателя, вставлены две компенсационные секции, при этом пластина контррефлектора выполнена из радиопрозрачного материала, на который нанесен линейчатый селектор поляризации, отражающий электромагнитные волны с вертикальной поляризацией и пропускающий электромагнитные волны с горизонтальной поляризацией, подвижный рефлектор выполнен с элементом трансформирования поляризации отражаемого сигнала на перпендикулярное направление поляризации, который выполнен в виде линейчатого селектора поляризации, повернутого на угол 45° к направлению как горизонтальной, так и вертикальной поляризации, и находящегося на расстоянии одной четверти длины волны радиосигнала от коротко замыкающего отражательного слоя.
Кроме этого, привод антенны имеет двухсторонний порт для получения сигналов управления антенным устройством из устройства приема, обработки сигналов и управления и передачи в него угловой информации из антенны, суммарно-разностный преобразователь подключен к задней оконечности четырехканального облучателя, имеет двухсторонний волноводный порт для передачи в антенну зондирующего сигнала заданной мощности и передачи из антенны эхосигнала суммарного канала, а также имеет два волноводных выхода для передачи взаимно перпендикулярных по направлению луча разностных эхосигналов.
Сущность изобретения поясняется дальнейшим описанием и чертежами, на которых представлены:
на фиг. 1 - общая структура антенного устройства в составе РЛС;
на фиг. 2 и фиг. 3 - детали конструкции и пояснения к работе рефлектора;
на фиг. 4 - общая структура антенного устройства с уточненной конструкцией облучателя;
на фиг. 5 - конструкция облучателя.
На фиг. 1 обозначены:
1 - рефлектор;
2 - контррефлектор;
3 - облучатель;
4 - привод антенны;
5 - суммарно-разностный преобразователь.
Антенное устройство работает в составе моноимпульсной РЛС, которая дополнительно содержит:
6 - синтезатор сигналов;
7 - усилитель мощности;
8 - циркулятор, связывающий антенное устройство с усилителем мощности и с приемником;
9 - усилитель суммарного канала приемника;
10 - усилитель разностного азимутального канала приемника;
11 - усилитель разностного угломестного канала приемника;
12 - устройство приема, обработки сигналов и управления.
По внешним обводам антенное устройство повторяет форму обтекателя РЛС и БПЛА, в которые оно устанавливается с необходимыми зазорами.
Представленные на фиг. 1 элементы антенного устройства соединены следующим образом.
Облучатель 3 подстыкован к суммарно-разностному преобразователю 5 своим задним окончанием и направлен в сторону контррефлектора 2 своим верхним передним окончанием, поперечная плоскость которого повернута относительно поперечной плоскости заднего окончания на угол π/4 рад (45°).
Рефлектор 1 установлен на привод 4 антенны, обеспечивающий его поворот на заданный угол в горизонтальной плоскости (X-Z) и в вертикальной плоскости (X-Y).
Суммарно-разностный преобразователь 5 подключен своим приемопередающим входом к циркулятору 8, который своим силовым входом связан через усилитель мощности 7 с синтезатором 6, а выходом подключен к усилителю 9 суммарного канала приемника.
Два разностных канала суммарно-разностного преобразователя 5 подключены соответственно к усилителю 10 разностного азимутального канала приемника и к усилителю 11 разностного угломестного канала приемника. Выходы усилителей 9, 10, и 11 подключены к устройству 12 приема, обработки сигналов и управления, связанному двухсторонним каналом связи с синтезатором 6 и подключенным своим управляющим выходом к приводу 4 антенны, контролирующему угловое положение рефлектора 1.
По внешним обводам антенное устройство повторяет форму обтекателя РЛС и БПЛА, в который оно устанавливается с необходимыми зазорами.
Контррефлектор 2 выполнен в виде неподвижной пластины, расположенной перпендикулярно вертикальной плоскости X-Y. Проекция пластины расположена под углом π/8 рад (22,5°) к вертикальной оси Y и к проекции на вертикальную плоскость подвижного рефлектора 1 в нетральном состоянии. Пластина контррефлектора изготовлена из радиопрозрачного материала, на который нанесены печатным способом металлические полоски параллельно горизонтальной оси Z с шагом Δ, существенно меньшим длины волны λ:
что обеспечивает его поляризационно-селективные свойства: отражение от контррефлектора радиосигналов с вертикальной поляризацией электромагнитной волны и пропускание через радиопрозрачный материал радиосигналов с горизонтальной поляризацией электромагнитной волны.
Рефлектор 1 выполнен из радиопрозрачного материала в виде параболоида, представляющего собой двухслойное зеркало (фиг. 2), два слоя которого расположены на расстоянии L, равном одной четвертой части от длины волны λ:
При этом на ближний к контррефлектору слой нанесены металлические полоски с шагом по выражению (1) под углом π/4 рад (45°) к осям Y и Z, формируя его поляризационно-селективные свойства. А на дальний слой нанесено сплошное металлическое коротко-замыкающее покрытие для отражения падающей на него волны. Такая конструкция рефлектора позволяет трансформировать поляризацию сигнала на π/2 рад (90°) следующим образом (фиг. 3).
Электромагнитная волна с вертикальной поляризацией на ближнем слое рефлектора (вектор 1 на фиг. 3а) разделяется на две ортогональные волны (векторы 2 и 3). При этом волна, соответствующая вектору 2, отражается от ближнего слоя (фиг. 3б), а волна, соответствующая вектору 3 (фиг. 3в) проходит через него и отражается от дальнего коротко-замыкающего покрытия. При этом она проходит дополнительный путь, равный удвоенному расстоянию 2L между ближним и дальним слоями. В соответствии с (2) величина 2L равна половине длины волны
что равносильно изменению фазы волны на 180°. Таким образом, вектор 3 после прохождения волной дополнительного пути превращается в вектор 4, направленный в противоположную сторону. Указанная волна складывается с волной, соответствующей вектору 2 (фиг. 3г) и формирует общую отраженную от рефлектора волну, соответствующую вектору 5 с горизонтальной поляризацией.
В рефлекторе 1 верхний сегмент параболоида срезан на величину, необходимую для установки облучателя 3 в образовавшееся пространство между рефлектором и внешним обтекателем. Указанный срез не влияет на апертуру и, соответственно, диаграмму направленности антенны в горизонтальной плоскости и незначительно расширяет основной луч диаграммы направленности в вертикальной плоскости, что не снижает эффективность работы устройства.
На фиг. 4 обозначения совпадают с обозначениями на фиг. 1.
Облучатель 3 выполнен конструктивно в соответствии с фиг. 5, на которой приняты следующие обозначения.
13 - задняя конечная четырехканальная секция,
14 - передняя конечная четырехканальная секция,
15, 16 - первая и вторая поворотные (на угол 22,5°) четырехканальные секции,
17 - прямая соединительная двухканальная секция,
18, 19 - первая и вторая компенсационные соединительные секции.
При этом в направлении от заднего окончания облучателя к его переднему окончанию последовательно соединены: задняя конечная четырехканальная секция 13, первая поворотная четырехканальная секция 15, прямая двухканальная соединительная секция 17, вторая поворотная четырехканальная секция 16 и передняя конечная четырехканальная секция 14, а между поворотными секциями 15 и 16, симметрично относительно плоскости симметрии облучателя, вставлены одноканальные компенсационные секции 18 и 19.
Секции 13 и 14 представляют собой каждая четырехканальный прямой волновод со стандартными каналами для трехсантиметрового диапазона волн с вертикальной поляризацией для секции 13 и с поляризацией, повернутой на π/4 рад (45°) в вертикальной плоскости для секции 14. В указанных секциях короткие стороны канала параллельны вертикальной плоскости X-Y, а длинные - перпендикулярны этой плоскости. При этом проекция концевого среза секции 13 параллельна оси Y, а проекция концевого среза секции 14 наклонена к оси Y под углом π/4 рад (45°).
Поворотные секции 15 и 16 представляют собой секторные отрезки 4-х-канального тороидального волновода со стандартными размерами каналов для 3-х-сантиметрового диапазона волн и с минимальным (технологически выполнимым) внутренним радиусом тора. Секторный угол секций составляет около π/8 рад (22,5°), обеспечивая суммарный поворот волноводных каналов облучателя на угол около π/4 рад (45°).
Секция 17 представляет собой двухканальный прямой волновод со стандартными каналами для 3-х-сантиметрового диапазона волн, при этом проекция секции 17 на плоскости X-Y наклонена по отношению к оси X на угол около π/8 рад (22,5°).
Секции 18 и 19 представляют собой симметричные волноводы со стандартными каналами, изогнутые в плоскости, перпендикулярной к плоскости X-Y, проекция которых на плоскость X-Y наклонена по отношению к оси X на угол около π/8 рад (22,5°). Изгиб волноводов выполнен от оси симметрии, находящейся между каналами, в наружную сторону. Величина изгиба выбрана такой, чтобы увеличение длины волновода по сравнению с длиной прямолинейной секции 17 точно скомпенсировало разницу длин наружной и внутренней пары волноводных каналов в секторных четырехканальных секциях 15 и 16 тороидального волновода.
Антенное устройство действует следующим образом. Работа антенного устройства происходит в составе моноимпульсной РЛС.
Расположение компенсационных секций 18 и 19 с изгибами в плоскости, перпендикулярной к плоскости X-Y под углом π/8 рад (22,5°) к оси X обеспечивает возможность свободного поворота рефлектора 1 со срезанным верхним сегментом как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях с помощью привода 4 на необходимый угол для обзора пространства и сопровождения обнаруженных объектов.
Синтезатор 6 формирует зондирующие радиоимпульсы, которые усиливаются в усилителе 7, и далее, через циркулятор 8, суммарно-разностный преобразователь 5 и облучатель 3 излучаются в сторону контррефлектора 2 в виде сферической волны с вертикальной поляризацией. Указанная волна отражается от контррефлектора в сторону параболического рефлектора 1, оставаясь сферической. В рефлекторе 1 волна преобразуется из сферической в плоскую, изменяет на π/2 рад (90°) свою поляризацию с вертикальной на горизонтальную, отражается в сторону контррефлектора и проходит через него в направлении области обзора и обнаружения объектов.
Эхосигнал так же, как и зондирующий сигнал, имеет горизонтальную поляризацию. Он проходит через контррефлектор 2 в сторону рефлектора 1, изменяет в нем свою поляризацию с горизонтальной на вертикальную и отражается от рефлектора 1 в сторону контррефлектора 2 в виде сужающегося (фокусирующегося) пучка. Далее эхосигнал с вертикальной поляризацией отражается от контррефлектора 2 в точку фокуса рефлектора 1, где находится облучатель 3, проходит в суммарно-разностный преобразователь 5 и разделяется там на три сигнала: суммарный сигнал через циркулятор 8 проходит на усилитель 9 суммарного канала, разностный азимутальный сигнал проходит на усилитель 10, а разностный угломестный сигнал проходит на усилитель 11. Сигналы указанных трех усилителей поступают на устройство 12 приема, обработки сигналов и управления, связанное с синтезатором 6 и управляющее приводом 4 антенны известным способом.
Для борьбы с активными помехами в синтезаторе 6 для каждого интервала зондирования формируется зондирующий сигнал на новой несущей частоте. Диапазон частот, в котором изменяется несущая частота, определяет помехоустойчивость системы, для повышения которой все блоки имеют максимально возможную ширину полосы рабочих частот.
В заявленном антенном устройстве ширина полосы рабочих частот обеспечивается конструкцией облучателя 3 следующим образом.
Зондирующий сигнал с выхода суммарно-разностного преобразователя 5 поступает синфазно во все четыре волноводные каналы секции 13 облучателя 3. Затем синфазный сигнал поступает из секции 13 в поворотную секцию 15, в которой одновременно с поворотом на угол π/8 рад (22,5°) происходит запаздывание по фазе сигнала двух наружных каналов относительно двух внутренних каналов из-за разницы в длине их осевых линий. (Названия "наружные" и "внутренние" каналы соответствуют их расположению относительно центра тороидального волновода). Далее сигнал наружных двух каналов поступает в секцию 17, а сигналы двух внутренних каналов - соответственно в секции 18 и 19, в которых происходит не только компенсация запаздывания, но и опережение по фазе сигналов секции 17 относительно сигналов секций 18 и 19, имеющих бо'льшую длину изогнутых осевых линий по сравнению с прямыми осевыми линиями каналов в секции 17. После этого сигналы поступают в поворотную секцию 16, в которой из-за разницы в длине осевых линий происходит компенсация отставания по фазе внутренних каналов относительно наружных каналов одновременно с дополнительным поворотом осевой линии каналов на угол π/8 рад (22,5°). В результате синфазный канал, повернутый на π/4 рад (45°), из всех четырех каналов поступает в секцию 14 и далее излучается в направлении контррефлектора 2.
Вследствие равенства длины осевых линий всех четырех волноводных каналов облучателя 3 излучаемый сигнал остается синфазным независимо от значения несущей частоты сигнала. Аналогичный путь через секции облучателя 3, только в обратном порядке, проходит эхосигнал РЛС, отраженный от радиоконтрастных объектов. Отличие эхосигнала от зондирующего сигнала состоит в том, что в каждый из четырех каналов облучателя может приходить сигнал с различной фазой. При этом разность фаз в каналах облучателя сохраняется от начала передней конечной секции 14 до конца задней конечной секции 13 независимо от значения несущей частоты сигнала.
Таким образом, рабочая полоса несущих частот антенного устройства расширена до полного частотного диапазона, ограниченного фактически только размерами используемых волноводных каналов, что существенно повышает помехозащищенность моноимпульсной РЛС.
На основании приведенного описания и чертежей предлагаемое антенное устройство может быть изготовлено при использовании известных комплектующих изделий и известного в радиоэлектронной промышленности технологического оборудования и использовано в моноимпульсных РЛС для беспилотных летательных аппаратов.
Литература
1. М. Скольник "Справочник по радиолокации". М., "Сов. Радио", 1977 г. Т2, стр. 101, рис. 1.
2. М. Скольник "Справочник по радиолокации". М., "Сов. Радио", 1977 г. Т2, стр. 112, рис. 15.
3. Патент РФ №2 124 253, МПК H01Q 19/18, опубл. 27.12.1998 г. (прототип).