Антенная система вторичного радиолокатора
SECONDARY RADAR ANTENNA SYSTEM

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при создании антенных систем во вторичной радиолокации.
При создании вторичных радиолокаторов возникает задача создания антенных систем, обеспечивающих передачу и прием СВЧ-сигналов по двум независимым каналам.
Во вторичной радиолокационной станции опознавание таких целей, как самолеты, осуществляется с использованием радиолокационных ответчиков, установленных на каждом летательном аппарате и опрашиваемых передаваемыми радиолокационными сигналами.
Наземная радиолокационная станция, именуемая запросчиком, передает сигналы опроса ответчику, который, в свою очередь, передает ответный сигнал запросчику (Патент RU 2146379, G01S 13/78, H03G 3/30).
Так как системы вторичной радиолокации подвержены влиянию синхронных помех, возникающих вследствие передачи и приема сигналов ВРЛ по боковым лепесткам диаграммы направленности (ДН), то существует вероятность того, что ответчиком, установленным на борту летательного аппарата, будет принят сигнал, излучаемый по боковому лепестку ДН, что приведет к искажению информации, получаемой наземным запросчиком, и перегрузке ответчика. Для исключения срабатывания ответчика от сигнала, излучаемого по боковому лепестку ДН (выполнению, установленных требований (ГОСТ Ρ 51845-2001 СИСТЕМЫ ВТОРИЧНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ. Общие технические условия, пп..5.2.5, 5.2.7, 5.2.8, 7.1.1.7,.., 7.1.1.8, 7.1.2.3, 7.1.2.5, 7.1.4.9, 7.1.4.6.4):
- уменьшают уровень боковых лепестков основного канала;
- используют специальные методы подавления сигналов запроса, принятых ответчиком по боковому лепестку ДН запросчика, и сигналов, принятых BPЛ по боковым лепесткам.
Уменьшение уровня боковых лепестков основного канала без увеличения ширины главного лепестка диаграммы направленности достигается, как правило, за счет увеличения размеров апертуры антенны.
Реализация специальных методов подавления сигналов запроса требует включения в кодовую посылку запроса и ответа дополнительных импульсов (сигналов канала подавления боковых лепестков) и специальной формы ДН радиолокационной станции, обеспечивающей превышение уровня этих сигналов над уровнем сигналов запроса в области боковых лепестков антенны основного канала (канала запроса) (Авиационная радиолокация, Давыдов П.С., Сосновский А.А., Хаймович И.А. Справочник, М., Транспорт, 1984, стр. 75).
Для получения необходимой специальной ДН используют две антенны, каждая из которых соединена либо с входом аппаратуры основного канала, либо с входом аппаратуры канала подавления боковых лепестков (ПБЛ). Эти антенны совместно создают необходимые диаграммы направленности. Антенны могут быть выполнены как с совместным использованием элементов фидерного тракта и излучающих элементов, например антенны, формирующие суммарную диаграмму направленности для основного канала и разностную диаграмму направленности для канала подавления боковых лепестков, так и две совершенно независимые антенны.
Так, в отдаленном аналоге заявляемого изобретения, содержащем антенную решетку, выполненную с использованием рупорных излучателей, кольцевых мостов, делителей, аттенюаторов, обеспечивается формирование суммарной диаграммы направленности для основного канала и разностной диаграммы направленности для канала подавления боковых лепестков канала (Авиационная радиолокация, Давыдов П.С., Сосновский А.А., Хаймович И.Α., Справочник, М., Транспорт, 1984, стр. 111…113).
Данное устройство обеспечивает подавление сигналов запроса, принятых ответчиком по боковому лепестку ДН основного канала запросчика, и сигналов, принятых ВРЛ по боковым лепесткам ДН основного канала, и имеет антенну сравнительно небольших размеров, так как отсутствуют отдельные антенны основного канала и канала ПБЛ, антенны основного канала и канала ПБЛ совмещены, то есть совместно используют излучающие элементы (зеркало) и элементы фидерного тракта.
Однако указанное устройство имеет следующие недостатки:
- наличие большого количества (по числу рупорных излучателей) дополнительных устройств (кольцевых мостов, делителей), обеспечивающих формирование суммарной и разностной диаграмм направленности, что значительно усложняет антенно-фидерную систему, усложняет конструкцию всей антенной системы, включая механизмы вращения антенны, и в конечном итоге увеличивает вес и стоимость;
- относительно низкий темп обзора пространства. Для запуска ответчика необходимо, чтобы уровень сигнала запроса превышал уровень сигнала канала ПБЛ не менее чем на 9 дБ. Ширина провала разностной ДН мала (порядка единиц градусов) (Авиационная радиолокация, Давыдов П.С., Сосновский Α.Α., Хаймович И.Α., Справочник, М., Транспорт, 1984, стр. 111…113), следовательно, если не вводить дополнительное затухание в фидерный тракт канала ПБЛ, то необходимое соотношение уровней сигналов (сигнала запроса и сигнала канала ПБЛ) будет выполняться в очень небольшой области вблизи максимума ДН канала запроса. Для идентификации летательного аппарата запросчик должен получить не менее определенного количества импульсов от ответчика. Минимальное время (минимальное количество импульсов), необходимое для связи запросчика и ответчика, определяется частотой повторения сигналов запроса и ответа, шириной провала разностной ДН и скоростью вращения антенны (темпом обзора пространства). Так как максимальная частота повторения сигналов запроса ограничена, то это время определяется в основном шириной области, где уровень сигнала запроса превышает уровень сигнала канала ПБЛ не менее чем на 9 дБ. Таким образом, если область, где уровень сигнала запроса превышает уровень сигнала канала ПБЛ не менее чем на 9 дБ мала, то должна быть невелика и скорость вращения антенны. Чтобы увеличить скорость вращения антенны, необходимо расширить область, в пределах которой выполняется необходимое соотношение уровней сигналов. Для этого вводят дополнительное затухание в фидерном тракте канала ПБЛ, снижая уровень сигнала канала ПБЛ. Однако значительное снижение уровня сигнала канала ПБЛ приводит к тому, что уровень боковых лепестков канала запроса начинает превышать уровень сигнала ПБЛ. В результате ответчик, установленный на борту летательного аппарата, будет принимать сигнал, излучаемый по боковому лепестку ДН канала запроса, и это, в конечном итоге, тоже накладывает ограничения на скорость вращения антенны.
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является антенная система ДРЛ-7С, состоящая из двух независимых антенных систем: основной, присоединенной к выходу аппаратуры основного канала, и антенны подавления боковых лепестков, присоединенной к выходу аппаратуры канала ПБЛ (Авиационная радиолокация, Давыдов П.С., Сосновский А.А., Хаймович И.А., Справочник, М., Транспорт, 1984, стр. 102, 103). Антенна ВРЛ канала запроса представляет собой зеркальную антенну, присоединенную к аппаратуре канала запроса. Антенна подавления, приема представляет собой волноводно-щелевую решетку. Для расширения ДН в вертикальной плоскости имеется кольцевой излучатель с экраном. Антенна подавления соединена с аппаратурой приема канала подавления.
В данной антенной системе не используется большого количества дополнительных устройств, что упрощает конструкцию антенной системы, снижает ее вес и стоимость. Так как используется отдельная антенна подавления, имеющая широкую диаграмму направленности, то темп обзора пространства повышается и ограничивается только шириной диаграммы направленности главного лепестка антенны основного канала.
Однако эта антенная система имеет следующие недостатки:
- увеличенные габариты и массу, обусловленные наличием как основной антенны, которая и сама имеет большие габариты, необходимые для обеспечения относительно небольшой ширины основного луча ДН и низкого уровня боковых лепестков, так и отдельной дополнительной антенны подавления, причем обе антенны работают независимо друг от друга.
Технический результат предлагаемого изобретения - уменьшение уровня боковых лепестков, ширины основного луча ДН антенны канала, повышение темпа обзора, увеличение точности определения угловых координат летательного аппарата, при сохранении небольших массогабаритных показателей антенной системы.
Дополнительный технический результат - увеличение разрешающей способности по угловой координате.
Указанный технический результат достигается тем, что в антенную систему, состоящую из основной антенны канала запроса и антенны канала подавления боковых лепестков, введено устройство, обеспечивающее электрическую связь основной антенны и антенны канала подавления боковых лепестков.
Дополнительный технический результат достигается тем, что в антенной системе по п. 1 устройство, обеспечивающее электрическую связь основной антенны и антенны канала подавления боковых лепестков, выполнено в виде направленного ответвителя, присоединенного таким образом, что вход направленного ответвителя, подключенный к выходу аппаратуры канала запроса, развязан от входа антенны канала ПБЛ.
Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемых к нему чертежей, на которых изображено следующее:
На фиг. 1 показана конструктивная схема предлагаемой антенной системы.
На фиг. 2 показаны диаграммы направленности, формируемые антенной системой канала запроса устройства, взятого за прототип, и диаграммы направленности, формируемые антенной системой канала запроса заявляемого устройства.
На фиг. 3 и 4 показаны фрагменты диаграммы направленности, формируемые антенной системой канала запроса устройства, взятого за прототип, и диаграммы направленности, формируемые антенной системой канала запроса заявляемого устройства.
На фиг. 5 показаны диаграмма направленности, формируемая антенной системой канала подавления боковых лепестков устройства, взятого за прототип, и диаграмма направленности, формируемая антенной системой канала подавления боковых лепестков заявляемого устройства.
На фиг. 6 показаны фрагмент диаграммы направленности, формируемой антенной системой канала подавления боковых лепестков устройства, взятого за прототип, и фрагмент диаграммы направленности, формируемой антенной системой канала подавления боковых лепестков заявляемого устройства.
На фиг.1-6 и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - основная антенна канала запроса;
2 - антенна канала подавления боковых лепестков;
3 - устройство, обеспечивающее электрическую связь основной антенны и антенны канала подавления боковых лепестков;
4 - аппаратура основного канала;
5 - аппаратура подавления боковых лепестков (ПБЛ);
6 - диаграмма направленности в режиме запроса, формируемая антенной системой канала запроса устройства, взятого за прототип;
7 - диаграмма направленности в режиме запроса, формируемая антенной системой канала запроса заявляемого устройства;
8 - диаграмма направленности в режиме подавления боковых лепестков, формируемая антенной системой канала подавления боковых лепестков устройства, взятого за прототип;
9 - диаграмма направленности в режиме подавления боковых лепестков, формируемая антенной системой канала подавления боковых лепестков заявляемого устройства.
Антенная система содержит:
основную антенну канала запроса 1;
антенну канала подавления боковых лепестков 2;
устройство 3, обеспечивающее электрическую связь основной антенны 1 и антенны канала подавления боковых лепестков 2.
Антенная система работает следующим образом.
Сигнал запроса, формируемый аппаратурой основного канала 4, поступает в основную антенну канала запроса 1, небольшая часть его через устройство 3 поступает в антенну канала подавления боковых лепестков 2. Основная антенна канала запроса 1 и связанная с ней через устройство 3 антенна канала подавления боковых лепестков 2, образующие единую антенную систему, создают единую диаграмму направленности 7. Единая диаграмма направленности 7 в режиме запроса, формируемая антенной системой канала запроса устройства, заявляемого по п. 1, имеет меньший уровень боковых лепестков, чем отдельно работающая антенна канала запроса 6, и имеет меньшую ширину (по уровню 3 дБ) главного лепестка диаграммы направленности, формируемого антенной системой канала запроса устройства, взятого за прототип (см. Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4). Это обусловлено тем, что размеры единой антенной системы, образованной основной антенной канала запроса 1 и связанной с ней через устройство 3 антенной канала подавления боковых лепестков 2, больше размеров антенны канала запроса 1. При этом ширина главного лепестка диаграммы направленности единой антенной системы 7 в режиме запроса будет меньше ширины главного лепестка диаграммы направленности 6 отдельно работающей антенны канала запроса 1. Уменьшение ширины главного лепестка диаграммы направленности позволяет увеличить точность определения угловых координат летательного аппарата. Уровень боковых лепестков определяется, как правило, амплитудно-фазовым распределением на апертуре антенны. Амплитудно-фазовое распределение заявляемой единой антенной системы определяется амплитудно-фазовым распределением антенны канала запроса 1, а также амплитудой и фазой сигнала приходящего на излучающие элементы антенны канала подавления боковых лепестков 2 от аппаратуры основного канала 4 через устройство 3. При этом амплитуда и фаза сигнала, приходящего на излучающие элементы антенны канала подавления боковых лепестков 2, определяются устройством 3, обеспечивающим электрическую связь между антеннами 1 и 2 и другими элементами фидерного тракта. Следовательно, подбором электрической связи между антеннами 1 и 2 (то есть, подбирая параметры устройства 3 и амплитудно-фазовые характеристики элементов фидерного тракта) можно получить уровень боковых лепестков диаграммы направленности 7 единой антенной системы в режиме запроса, образованной основной антенной канала запроса 1 и связанной с ней через устройство 3 антенной канала подавления боковых лепестков 2, ниже уровня боковых лепестков диаграммы направленности 6 отдельно работающей антенны канала запроса 1.
Сигнал, формируемый аппаратурой канала подавления боковых лепестков 5, поступает в антенну канала подавления боковых лепестков 2, небольшая часть его через устройство 3 поступает в основную антенну канала запроса 1. В результате образуется диаграмма направленности 9, близкая к диаграмме направленности 8 отдельно работающей антенны канала подавления боковых лепестков 2 (см. Фиг. 5). Это вызвано тем, что сигнал, поступающий в основную антенну канала запроса 1, существенно меньше сигнала, поступающего в антенну канала подавления боковых лепестков 2, что приводит к небольшому отличию диаграммы направленности 9 от диаграммы направленности 10 антенны канала подавления боковых лепестков 2.
Для срабатывания ответчика, установленного на борту летательного аппарата, требуется, чтобы уровень сигнала запроса превышал уровень сигнала канала ПБЛ не менее чем на 9 дБ. Необходимое соотношение уровней сигналов (сигнала запроса и сигнала канала ПБЛ) выполняется в небольшой области вблизи максимума ДН канала запроса. Одним из способов увеличения этой области - это расширение ДН антенны канала запроса. Однако такое решение приведет, во-первых, к уменьшению радиуса действия за счет снижения усиления (КНД), а во-вторых, - к ухудшению точностных характеристик из-за расширения главного лепестка ДН антенны канала запроса. Использование предложенной антенной системы позволяет увеличить темп обзора без ухудшения точности определения угловых координат летательного аппарата. Как видно из приведенных графиков (см. Фиг. 5, Фиг. 6), диаграмма направленности 9 имеет такую форму, которая позволяет задавать требуемое соотношение уровней сигналов (сигнала запроса и сигнала канала ПБЛ) в более широкой относительно максимума ДН канала запроса области, чем диаграмма направленности 8 одной антенны канала подавления боковых лепестков 2 (в данном конкретном случае, примерно, на 2.6 градуса), что и позволяет увеличить темп обзора без ухудшения точности определения угловых координат летательного аппарата.
Разрешающая способность по углу - минимальное значение угла, при котором разделяются сигналы, приходящие от равноудаленных летательных аппаратов.
Для увеличения разрешающей способности по угловой координате необходимо:
- уменьшить ширину главного лепестка антенны канала запроса 1;
- уменьшить область вблизи максимума ДН канала запроса, в которой выполняется необходимое соотношение уровней сигналов (сигнала запроса и сигнала канала ПБЛ) для срабатывания ответчика, установленного на борту летательного аппарата. (Уменьшить число летательных аппаратов, на которых одновременно срабатывают ответчики (если сигнал от первого ответчика считать «полезным» сигналом, то сигнал от второго является помехой, ухудшающего разрешающую способность)).
Уменьшение ширины главного лепестка антенны канала запроса 1 и уменьшение области вблизи максимума ДН канала запроса, в которой выполняется необходимое соотношение уровней сигналов (сигнала запроса и сигнала канала ПБЛ) для срабатывания ответчика, установленного на борту летательного аппарата, достигается тем, что в антенной системе по п. 1 устройство, обеспечивающее электрическую связь основной антенны и антенны канала подавления боковых лепестков, выполнено в виде направленного ответвителя, присоединенного таким образом, что вход направленного ответвителя, подключенного к выходу аппаратуры канала запроса 4, развязан от входа антенны канала ПБЛ 2.
В результате получается, что сигнал запроса, формируемый аппаратурой основного канала 4, поступает в основную антенну канала запроса 1 и в связанную с ней через устройство 3 антенну канала подавления боковых лепестков 2, которые образуют единую антенную систему и создают единую диаграмму направленности 7. Единая диаграмма направленности 7, формируемая единой антенной системой канала запроса устройства, имеет меньшую ширину (по уровню 3 дБ), чем диаграмма направленности, формируемая антенной системой канала запроса устройства, взятого за прототип (см. Фиг. 2, Фиг. 4).
Сигнал, формируемый аппаратурой канала подавления боковых лепестков 5, поступает только в антенну канала подавления боковых лепестков 2. Это обусловлено тем, что устройство, обеспечивающее электрическую связь основной антенны и антенны канала подавления боковых лепестков, выполнено в виде направленного ответвителя, присоединенного таким образом, что вход направленного ответвителя, подключенного к выходу аппаратуры канала запроса 4, развязан от входа антенны канала ПБЛ 2.
В результате образуется диаграмма направленности 8 (см. Фиг. 6), представляющая собой диаграмму направленности отдельно работающей антенны канала подавления боковых лепестков.
Таким образом, получаем уменьшенную ширину главного лепестка диаграммы направленности 7 для сигнала запроса, формируемого аппаратурой основного канала 4, и уменьшенную область вблизи максимума ДН канала запроса, в которой выполняется необходимое для срабатывания ответчика соотношение уровней сигналов (сигнала запроса и сигнала канала ПБЛ), что приводит к увеличению разрешающей способности по угловой координате.
Меняя взаимное расположение антенны канала запроса 1 и антенны канала подавления боковых лепестков 2, можно менять характеристики единой антенной системы, например, увеличивая расстояние между антеннами канала запроса 1 и канала подавления боковых лепестков 2 (увеличивая апертуру единой антенной системы), уменьшаем ширину ее главного лепестка в режиме запроса, формы ДН единой антенной системы в режиме подавления боковых лепестков, и т.п.
Использование предложенного изобретения позволит уменьшить уровень боковых лепестков, ширину основного луча ДН антенны канала, повысить темп обзора, увеличить точности определения угловых координат летательного аппарата, при сохранении небольших массогабаритных показателей антенной системы и увеличить разрешающую способность по угловой координате.