АНТЕННАЯ СИСТЕМА РАДИОЛОКАТОРА С УПРАВЛЯЕМОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использовано в приемо-передающей аппаратуре связи и радиолокации, в частности в антенных системах метеолокаторов для сопровождения аэрологических радиозондов (АРЗ) и метеорологических ракет.
Общеизвестна поляризация электромагнитных волн, у которых направления электрического (Е) и магнитного (Н) полей сохраняются неизменными в пространстве или изменяются по определенному закону. Строго монохроматическое излучение всегда поляризовано. Для поляризованного излучения различают линейную, круговую и эллиптическую. В антенных системах применяют поляризацию в зависимости от конкретной задачи, поставленной перед данной РЛС, т.к. каждый тип поляризации обладает определенными достоинствами и недостатками (с точки зрения обнаружения, захвата и сопровождения цели в конкретных условиях применения).
Так в РЛС с антенной системой с линейной поляризацией в случае ошибки сопровождения появляются перекрестные связи, например в случае ошибки по азимуту появляется сигнал на выходе детектора ошибки по углу места и наоборот. В отдельных случаях перекрестная связь может обусловить значительную ошибку сопровождения и даже потерю цели при сопровождении, см. «Справочник по радиолокации», ред. М. Скольник, том 4, Сов. Радио, 1977 г., стр.63-64.
Известны антенные системы с круговой поляризацией, в которых антенная решетка выполнена в виде спиралей с согласованным резонатором, см. «Справочник по радиолокации», ред. М. Скольник, том 2, Сов. Радио, 1977 г., стр.137.
Недостаток такой системы заключается в том, что при однократном отражении от цели круговая поляризация сигнала меняется на обратную, следовательно требуются раздельные излучающая и приемная решетки спиральных элементов (с противоположным направлением витков спирали), конструкция усложняется, увеличиваются габаритно-массовые характеристики (ГМХ), уменьшается надежность и увеличивается стоимость. Кроме того, как показывает практика, с переходом от линейной к круговой поляризации сигнал цели ослабляется на 6-8 дБ. В результате с использованием круговой поляризации при наблюдении цели при дожде дает общий выигрыш в отношении сигнал/помеха 15-18 дБ, но при малоразмерных целях это достоинство превращается в недостаток т.к. полезный сигнал также уменьшается, см. «Теоретические основы радиолокации», ред. В.Е.Дулевич, М, Сов. Радио, 1978 г., стр.487-489.
Известна «Антенная система метеолокатора» с вертикальной линейной поляризацией, которая содержит четырехсегментную антенную решетку, малую антенную решетку, две диаграммо-образующие схемы, приемопередатчик и микропроцессор, причем каждый сегмент содержит решетку из двенадцати излучателей, расположенных в четыре ряда и в четыре этажа, выход каждого сегмента соединен с соответствующим входом/выходом первой диаграммо-образующей схемы, малая антенная решетка содержит четыре одиночных излучателя, расположенных в центре четырехсегментной антенной решетки, а выход каждого одиночного излучателя соединен с соответствующим входом второй диаграммо-образующей схемы, входы/выходы обеих диаграммо-образующих схем соединены с соответствующими входами/выходами приемопередатчика, управляющие выходы микропроцессора соединены с управляющими входами диаграммо-образующих схем и приемопередатчика, выход последнего является выходом системы, см. Патент РФ №2161847.
Недостатком данной антенной системы является следующее: при любых дальностях и высотах до АРЗ антенна последнего (совместно с корпусом АРЗ) при сильных порывах ветра, меняющихся ветровых потоках, вихрях (особенно в условиях Арктики, высокогорья) значительно меняет свое пространственное
положение (колеблется из стороны в сторону, даже ложится на «бок») вплоть до 90°, т.е. меняет свою ориентацию. В результате линейная вертикальная поляризация изменяется на горизонтальную и метео-РЛС может потерять цель (АРЗ) по угловым координатам, со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Собственно говоря, этот недостаток относится ко всей системе: метеорологическая РЛС - аэрологический зонд, если бы последний не «болтался», то не было бы и потери цели (АРЗ).
Дополнительно следует заметить, что в этом случае колебании - «болтанке» до 90° получается нулевая поляризация цели (АРЗ), при которой отраженная от АРЗ волна поляризована ортогонально падающей, в результате отраженная от АРЗ волна ортогональна по отношению к поляризации передающей антенны метео-РЛС; антенна последнего не может принять такой сигнал или принимает с такими ослаблениями, что полезная информация близка к нулю, см. «Теоретические основы радиолокации» под ред. В.Е.Дулевича, М, Сов. радио, 1978 г, стр.484-485. Вообще фиксированная поляризация (линейная или круговая) имеет тот недостаток, что она дополнительно не может учитывать характеристики как самой цели, так и характеристики внешних условий при прохождении луча радиолокатора и ответного сигнала аэрологического радиозонда.
Известна антенная система метеолокатора с линейной и круговой поляризацией, которая содержит большую (с линейной поляризацией) и малую (с круговой поляризацией) антенную решетку (АР), первую и вторую диаграммо-образующие схемы, приемопередатчик, микропроцессор, трехдецибельный квадратурный мост с соответствующими соединителями, при этом малая АР работает при малых дальностях, большая АР - при больших дальностях, см. патент РФ №2195056 - ПРОТОТИП.
Недостатками прототипа, при всех его положительных качествах, являются следующие: жесткое управление переключением поляризацией, т.е. строго говоря граница между малой и большой (средней) дальностью достаточно условна и размыта, поэтому переключение с малой на большую дальность может быть произведено не вовремя (порывы ветра еще сильны и неупорядочены,
особенно в условиях Арктики) и цель (АРЗ) может быть на какое-то время потеряна, а вместе с ней и полезная информация.
Технической задачей полезной модели является повышение эффективности и надежности сопровождения АРЗ, особенно на стыке малых и средних высот при экстремальных погодных условиях за счет улучшения согласовывания поляризационных характеристик антенны АРЗ и антенной системы метео-РЛС.
Для решения поставленной задачи предлагается антенная система радиолокатора с управляемой поляризацией, содержащая фазированную антенную решетку, излучатели которой соединены с соответствующими выходами первой и второй диаграммо-образующих схем, приемопередатчик, управляющее вычислительное устройство, выход которого соединен с управляющими входами приемопередатчика и обеих диаграммо-образующих схем, отличающаяся тем, что фазовращатели обеих диаграммо-образующих схем выполнены по трехпозиционной схеме, при этом антенная решетка состоит из четырех сегментов, расположенных симметрично геометрическим осям решетки, а точки возбуждения вибраторов первого и второго сегментов соединены с выходами первой диаграммо-образующей схемы, а вибраторов третьего и четвертого сегментов - с выходами второй диаграммо-образующей схемы; управляющее вычислительное устройство содержит арифметическое логическое устройство, малошумящий усилитель, пиковый детектор с устройством выборки и хранения и АЦП, причем выход приемопередатчика через малошумящий усилитель соединен с входом устройства выборки и хранения, выход которого аналоговой шиной соединен с входом АЦП, выход которого цифровой шиной и шиной конца преобразования соединен с входами арифметического логического устройства, последнее шиной запись/ считывание соединено с устройством выборки и хранения и АЦП, а первой и второй управляющими шинами - с первой и второй диаграммо-образующими схемами и приемопередатчиком соответственно.
На фиг.1 изображена структурная электрическая схема антенной системы, на фиг.2 - расположение подрешеток антенной системы, на фиг.3 - диаграммо-образующая схема, на фиг.4 - показано расположение и соединение полосковых
излучателей в подрешетке (в данном фиг. - во второй), на фиг.5 - теоретическая диаграмма направленности (ДН), на фиг.6 - структурная схема управляющего вычислительного устройства (УВУ).
На схемах изображено: 1-4 - сегменты антенной решетки (подрешетки), 5 - собственно антенная решетка, 6 и 7 - первая и вторая диаграммо-образующие схемы соответственно, 8 - приемопередатчик, 9 - управляющее вычислительное устройство (УВУ), 10 - малошумящий усилитель (МШУ) с пиковым детектором (ПД), 11 - устройство выборки и хранения УВХ), 12 - АЦП, 13-24 - фазовращатели, 25-31 - кольцевые делители мощности, 32 - арифметическое логическое устройство (АЛУ), первая и вторая управляющие шины, цифровая шина и шина запись/считывание.
Диаграммо-образующие схемы (ДОС) 6 и 7 первым и вторым выходами соединены с вторым и третьим сегментами антенной решетки 5 соответственно, а третьим и четвертым выходами - с первым и четвертым сегментами; входы/выходы ДОС 6 и 7 соединены с приемопередатчиком 8, выход которого соединен с входом УВУ 9, последнее первой управляющей шиной соединен с управляющими входами ДОС 6 и 7, второй управляющей шиной - с управляющим входом приемопередатчика 8; УВУ 9 имеет следующие соединения: вход от МШУ 10 приемопередатчика 8 первой аналоговой шиной соединен с УВХ 11, выход которого второй аналоговой шиной соединен с входом АЦП 12, выходная цифровая шина последнего и шина конца преобразования (КП) соединена с входом АЛУ 32, которое в свою очередь шиной запись/считывание соединена с управляющими входами УВХ 11 и АЦП 12.
Указанные узлы и блоки представляют собой и могут быть выполнены: Излучатели сегментов 1-4 антенной решетки могут быть выполнены, например, в виде квадратных печатных излучателей (см. «Антенны и устройства СВЧ», под ред. Д.И.Воскресенского, М, «Радио и связь», 1994 г, стр.166-168. УВУ 9 может быть применен типа 80С196КС, см. каталог фирмы Jntel "EMBEDDED MICRO CONTROLLERS and PROCESSORS" volume 1, 1993, 17-1, или входит в состав аппаратного контура РЛС. Фазовращатели 13-24 (из ДОС 6 и 7) могут быть выполнены, например, на pin-диодах, (см. "Справочник по радиолокации"
М, Сов. радио, 1977 г, стр.251-259). Кольцевые делители мощности 25-31 (также из ДОС 6 и 7) могут быть выполнены, например, по схеме кольцевых мостов (см. «Антенны и устройства СВЧ», под ред. Д.И.Воскресенского, М, «Радио и связь», 1994 г, стр.301, 302, 306). Приемопередатчик 8 может быть выполнен, например, по схеме (см. А.А.Ефимов «Принципы работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1», М, Гидрометеоиздат, 1989 г, стр.19, 20) и по схеме (см. Л.Г.Гассанов и др. «Твердотельные устройства СВЧ в технике связи», М, Радио и связь, 1988 г, стр.156-158) МШУ 10 может быть выполнен на арсенид-галлиевой ИМС MGA-86563, см. каталог фирмы Hewlett Packard, 1998 г, стр.6-220. УВХ 11 может быть выполнен на ИМС 1100СК2, см. Справочник «Интегральные микросхемы», М, 2001 г. Радио Софт, Т8, стр.267-269. АЦП 12 может быть выполнен на ИМС 572 ПВ1А, см. Справочник «Интегральные микросхемы», М, 2001 г, Радио Софт, Т6, стр.135-140. Первая и вторая управляющие шины это в общем случае bus network, см. толковый словарь по вычислительной технике, MICROSOFT PRESS, русская редакция, М, 1995 г, стр.62, цифровая шина - это п-разрядная шина по числу разрядов АЦП, шина запись/считывание - это одноразрядная шина логического уровня: лог.0 - запись, лог.1 - считывание (или наоборот); АЛУ 32 может быть выполнена на ИМС КР1800ВС1, см. Справочник «Интегральные микросхемы», М, 2001 г, Радио Софт, Т11, стр.221-222.
Антенная система метеолокатора работает следующим образом.
Рассмотрим на примере передачи, т.к. в силу «принципа обратимости» характеристики антенной системы остаются неизменными и в режиме приема.
Т.к. в метеолокаторах требуется обнаружение (пеленгация) и сопровождение цели (АРЗ), то применяется равносигнальный метод, для чего применяется сканирование электрическим способом, при котором перемещение ДН осуществляется за счет амплитудно-фазового распределения в раскрыве антенны электрическим путем, т.е. управление максимумом ДН осуществляется изменением сдвига фаз между токами соседних излучателей. В режиме передачи для обеспечения максимальной мощности облучения цели (АРЗ) подаются одинаковые сигналы на все четыре сегмента 1-4 антенной решетки 5.
В данном метеолокаторе применены четыре режима работы: режим вертикальной поляризации, режим круговой поляризации правого вращения и режим круговой поляризации левого вращения, режим поиска.
Метеолокатор находится от места выпуска АРЗ в нескольких десятках метров и антенна по азимуту и углу места направлена на точку выпуска. В момент выпуска АРЗ включен режим линейной вертикальной поляризации.
Далее метеолокатор может работать по выбору оператора РЛС в любом из указанных выше режимов, а может работать в режиме поиска, максимального отношения сигнал/шум, суть которого состоит в следующем. УВУ 9 в начале задает режим вертикальной поляризации, при приходе ответного сигнала через ДОС 6 и 7, приемопередатчик 8 сигнал детектируется по команде «Запись» с УВУ 9 записывает амплитуду этого сигнала в УВХ 11. Затем по команде «Считывание» по этой же шине запись/считывание проходит команда «Считывание», которая является одновременно сигналом «Пуск» для АЦП 12, амплитуда сигнала оцифровывается последним и поступает по цифровой шине на УВУ 9 с сигналом КП (конец преобразования), где и записывается в его ОЗУ. Затем в паузе между запросным и ответными сигналами (на это время также открывается тракт приема ответного сигнала) измеряется уровень шума и также записывается в его ОЗУ. После чего УВУ 9 вычисляет соотношение сигнал/шум и хранит в памяти ОЗУ.
Затем УВУ 9 задается режим круговой поляризации правого вращения и производятся все те же действия и измерения, что и для режима вертикальной поляризации и заканчивается хранением отношения сигнал/шум в его ОЗУ.
Затем УВУ 9 задается режим круговой поляризации левого вращения и производятся все те же действия и измерения, что и для режима вертикальной поляризации и заканчивается хранением отношения сигнал/шум в его ОЗУ.
Таким образом в памяти ОЗУ УВУ 9 хранятся четыре соотношения сигнал/ шум. После последнего измерения и вычисления УВУ 9 выбирает из них максимальный по величине, который и является оптимальным на данное конкретное время. Радиолокатор начинает работать в режиме этой поляризации. Спустя некоторое время, которое определяется заданной программой для УВУ 9, например,
через 1-2-3 сек цикл измерений повторяется и выбирается другой режим поляризации или остается прежний, в зависимости опять же от соотношений сигнал/шум.
Антенная решетка 5 в рабочем положении повернута на угол равный 45° (см. фиг.1 и фиг.2) по часовой стрелке, если смотреть со стороны раскрыва антенны. Это позволяет получить линейную вертикальную поляризацию и реализовать амплитудное распределение по раскрыву решетки, которое резко снижает уровень бокового излучения (боковых лепестков ДН, т.е. по существу паразитного излучения).
Таким образом, антенная система с управляемой диаграммой направленности предназначена для более устойчивого сопровождения метеорологического радиозонда, имеющего линейно поляризованную антенну. При своем полете под влиянием ветровых потоков различного направления зонд вместе с антенной совершают колебательные движения, часто с существенной амплитудой. В этом случае в радиоканале связи могут наблюдаться сильные замирания сигнала, обусловленные рассогласованием антенн по поляризации. Использование приемной антенны с круговой поляризацией позволяет обеспечивать устойчивый прием при любых положениях излучающей антенны АРЗ. Однако в этом случае уровень сигнала теоретически будет на 3 дБ меньше по сравнению с идеальными условиями связи, при которых, обе антенны (на зонде и радиолокаторе) работают с линейной вертикальной поляризацией. Практический интерес представляет возможность создания гибкой структуры управления антенной системой метеолокатора, позволяющей при сильных эволюциях метеозонда работать на круговой поляризации, а при относительно спокойном полете переходить на режим линейной поляризации с увеличением результирующего коэффициента усиления.
Диагональное расположение подрешеток позволило снизить уровень боковых лепестков в главных плоскостях. При этом несколько усложнилась диаграммо-образующая схема (фиг.3) за счет необходимости использования трехпозиционных фазовращателей 13-16.
Каждая из подрешеток представляет собой несколько рядов квадратных полосковых излучателей, питаемых полосковыми линиями с воздушной подложкой по последовательно-параллельной схеме. В точках с нулевым потенциалом излучатели соединены с экраном для обеспечения необходимой жесткости конструкции. Во входных цепях установлены фазосдвигающие цепи с коммутируемым фазовым сдвигом, позволяющие сформировать поле линейной, круговой (правого вращения и левого вращения) поляризации.
Электрическое сканирование луча в пространстве обеспечивается трехпозиционными фазовращателями. Величина фазового сдвига выбрана из условия смещения максимума главного лепестка относительно нормали с ослаблением уровня принимаемого сигнала на 1-1,5 дБ. Для качания луча в вертикальной и горизонтальной плоскостях используется коническое сканирование.