ПЛОСКИЙ РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H01Q15/14 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для аттестации, поверки и калибровки радиолокационных измерителей дальности преимущественно в качестве эталонного отражателя с варьируемой дальностью.

Известен ряд радиолокационных отражателей как простых (сфера, диск и т. п. ) [1, стр. 101-132], так и сложных форм [1-4], предназначенных для определения местоположения объектов на транспорте, в авиации, метеорологии и т. п. Указанные отражатели не могут обеспечить поверку и калибровку высокоточных радиолокационных измерителей дальности, т.к. фаза волн, отраженных такими отражателями, нелинейно зависит от расстояния до радиолокационного измерителя дальности.

Известен бесконечный плоский идеально проводящий отражатель [1, стр. 19; 5, стр. 182-215] , который может быть использован при поверке и калибровке измерителей, т.к. отраженное от него поле в месте расположения антенны радиодальномера описывается выражением

где поле, отраженное бесконечным плоским отражателем;
поле на каком-то фиксированном расстоянии в направлении на антенну;
R₀ - расстояние от антенны до плоскости;
λ - длина волны;
F₀ - характеристика направленности антенны.

Из приведенного выражения видно (известный факт), что фаза отраженного поля ϕ_отр = -2kR₀ линейно зависит от дальности до бесконечного плоского отражателя и геометрическая дальность до него совпадает с электродинамической дальностью - определенной набегом фазы результирующего отраженного поля.

Однако обеспечить условия измерений, при которых отражатель можно считать бесконечным, практически невозможно.

Известен плоский радиолокационный отражатель, выполненный в виде круглого диска [1, стр. 108-121]. Такой отражатель имеет небольшие размеры. Однако он не обеспечивает необходимой точности измерения электродинамической дальности из-за того, что при монотонном изменении расстояния фаза отраженного поля имеет колебательную составляющую, что можно показать, используя известное выражение для отраженного поля [6, стр. 350]

где отраженное поле в месте расположения антенны; S - поверхность отражателя; F(θ) - характеристика направленности антенны; R - расстояние от антенны до точек на поверхности отражателя; - нормаль к поверхности отражателя; - орт радиуса вектора R.

Для круглого диска радиуса ρ, ориентированного по нормали к направлению на антенну, приведенное выражение позволяет получить запись отраженного поля в виде

где F₀ - характеристика направленности антенны в направлении на центр отражателя; F_ρ - характеристика направленности антенны в направлении на кромку отражателя; R_ρ - расстояние от антенны до кромки отражателя.

Первое слагаемое соответствует полю, отраженному бесконечным плоским отражателем. Второе слагаемое обусловлено конечными размерами отражателя и характеризует погрешность измерения расстояния. Для круглого диска она носит колебательный характер. В зависимости от геометрического расстояния R₀ и длины волны λ амплитуда колебаний может достигать четверти волны λ₀/4.
Таким образом, электродинамическая дальность R_э, определенная набегом фазы результирующего по R_э = ϕ_э/k, определяется с погрешностью величиной до λ₀/4.
Цель предлагаемого изобретения - уменьшение погрешности измерения дальности до отражателя.

Для решения поставленной задачи плоский радиолокационный отражатель, установленный перпендикулярно направлению на антенну, выполнен не менее чем из двух одинаковых, симметричных относительно своих осей лепестков, образованных секторами, радиусы которых монотонно изменяются на одинаковую часть зоны Френеля для средней длины волны диапазона λ₀, а угловые величины секторов Ф_n определяются соотношением:
для четного числа секторов 2N с каждой стороны относительно оси симметрии лепестка

где n=1, 2, 3, ..., N - номер сектора;
2N - число секторов лепестка отражателя с каждой стороны относительно его оси симметрии;
R_n - расстояние от антенны до внешней кромки сектора с номером n;
R₀ - расстояние от антенны до центра отражателя;
F₀ - значение модуля характеристики направленности антенны в направлении на центр отражателя;
F_n - значение модуля характеристики направленности антенны в направлении на внешнюю кромку сектора с номером n;
М - число лепестков отражателя;

сумма угловых величин всех секторов лепестка;
1/Q - заданная величина погрешности поля отражателя относительно поля бесконечной отражающей плоскости;
для нечетного числа секторов 2N+1

где n=0, 1, 2, ..., N.

При большом числе секторов в лепестке отражателя кромка лепестка выполняется по огибающей центров внешних кромок секторов.

Для имитации бесконечной плоской границы материала с модулем коэффициента отражения |Г|<1 сумма угловых размеров всех лепестков отражателя определяется выражением
2M∑Φ_к = 2π•|Г|.

На фиг.1 изображен двухлепестковый плоский радиолокационный отражатель. На фиг. 2 изображен плоский радиолокационный отражатель с гладкой кромкой, образованной огибающей центров внешних кромок секторов. На фиг.3 изображено расположение отражателя относительно антенны радиодальномера.

Плоский радиолокационный отражатель (фиг. 1) выполнен не менее чем из двух одинаковых лепестков 1, 2, симметричных относительно своих осей 3, 4. Лепестки образованы секторами 5, радиусы которых монотонно изменяются на одинаковую часть зоны Френеля для средней длины волны диапазона λ₀, а угловые величины секторов Ф_n определяются соотношением:
для четного числа секторов 2N с каждой стороны относительно оси симметрии лепестка

где n=1, 2, 3, ..., N - номер сектора;
для нечетного числа секторов

где n=0, 1, 2,..., N.

Отсчет секторов n ведется от центральной по номеру зоны Френеля 6 в обе стороны, при этом сектор наименьшего радиуса может соответствовать произвольному числу зон Френеля. Таким образом, кромка лепестка отражателя выполняется радиально-ступенчатой, высота ступенек равна одинаковой части зоны Френеля, а угловой размер ступенек равен угловой величине сектора Ф_n.

При большом числе секторов в лепестках 1, 2 отражателя (фиг.2) кромка лепестка выполняется по огибающей 7 центров внешних кромок 8 секторов, при этом угловые величины Ф_n секторов удобнее определять с помощью выражений:
для 2N

где n=1, 2, 3, ..., N;
Т_2N-1 - полином Чебышева;
для 2N+1

которые полностью эквивалентны приведенным выше выражениям, но требуют меньших вычислительных затрат, если число секторов лепестка отражателя больше 60÷80. Нормированная к полю бесконечного отражателя зависимость абсолютной величины погрешности приобретает вид

где b - максимальный размер отражателя на максимальном расстоянии до антенны, выраженный в единицах зон Френеля при λ = λ₀.
Плоский радиолокационный отражатель может быть многолепестковым с равномерно распределенными лепестками в пределах 360^o.

Отражатель работает следующим образом. Волны, излученные антенной 9 (фиг. 3) радиолокационного дальномера, падающие на отражатель 10, создают вторичное отраженное поле. При ориентации отражателя 10 по нормали к направлению на антенну 9, как указано выше, отраженное поле определяется выражением (2), которое после преобразований можно представить в виде

где ρ(ϕ)- определяет конфигурацию кромки отражателя.

Если отражатель выполнен из секторов Ф_n, интеграл заменяется суммой, число слагаемых которой равно общему числу секторов в отражателе. Так как отражатель выполнен из М одинаковых симметричных, относительно своих осей лепестков, то

Аргумент этого выражения определяет фазу отраженного поля и, соответственно, электродинамическую дальность до отражателя

ΔR=R-R₀ - определяет величину ступеньки между соседними секторами, которую можно выразить в величине зон Френеля, т.к. 2ΔR = 2λ₀/4 соответствует разнице между радиусами секторов в одну зону Френеля для средней длины волны диапазона.

Если радиусы и величины секторов выполнить в соответствии с формулой изобретения, то выделенная величина погрешности поля отражателя будет равна

где T_N-1 - полином Чебышева 1-го рода, a - величина ступеньки между соседними секторами, выраженная в величине части зоны Френеля. Степень полинома равна половине числа секторов лепестка отражателя без двух.

Выполненные в соответствии с формулой изобретения отражатели, максимальные размеры которых ρ_max равны 1,4; 1,62; 1,84 радиуса первой зоны Френеля, обеспечивают погрешность измерения дальности не хуже λ₀/63; λ₀/200; λ₀/630 соответственно. Для сравнения можно указать, что погрешность электродинамической дальности отражателя в виде круглого диска составляет ±λ₀/4.
Зависимость погрешности отраженного поля от дальности и длины волны в виде полинома Чебышева обусловлена зависимостью амплитуд и фаз волн, отраженных различными участками отражателя, и определяются его размерами и выбранной формой. На основании свойств полиномов Чебышева можно утверждать, что размеры отражателя, определяемые формулой изобретения, минимальны при заданной погрешности поля отражателя относительно поля бесконечного отражателя, или можно утверждать, что при заданных размерах отражателя погрешность поля будет минимально возможной, а электродинамическая дальность наиболее точно будет соответствовать геометрической.

Источники информации
1. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. - М.: "Сов. Радио", 1975.

2. Авторское свидетельство СССР 1646016, МКИ H 01 Q 15/16. Радиолокационный антенный отражатель. 1991, БИ 16.

3. Авторское свидетельство СССР 1385168, МКИ H 01 Q 15/14. Фазокорректирующий отражатель. 1998, БИ 12.

4. Авторское свидетельство СССР 163163, МКИ H 01 Q 15/18. Уголковый отражатель. 1988, БИ 8.

5. Красюк Н.П., Дымович Н.Д. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: "Высш. школа", 1974.

6. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Пер. с англ. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", 1973.

Плоский радиолокационный отражатель может быть использован для аттестации, поверки и калибровки радиолокационных измерителей дальности преимущественно в качестве эталонного отражателя с варьируемой дальностью. Техническим результатом является обеспечение соответствия геометрической и электродинамической дальности с погрешностью не хуже 1/63; 1/200; 1/630 длины волны, при максимальных размерах соответственно 1,4; 1,62; 1,84 диаметра первой зоны Френеля. Плоский радиолокационный отражатель выполнен не менее чем из двух одинаковых симметричных, относительно своих осей, лепестков, образованных секторами, радиусы которых монотонно изменяются на одинаковую часть зоны Френеля для средней длины волны диапазона, а угловые величины секторов распределены по закону, обеспечивающему зависимость погрешности электродинамической дальности, которая описывается полиномом Чебышева. При большом числе секторов в лепестке отражателя кромка лепестка выполняется по огибающей центров внешних кромок секторов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Плоский радиолокационный отражатель, установленный перпендикулярно направлению на антенну, отличающийся тем, что отражатель выполнен не менее чем из двух одинаковых симметричных относительно своих осей лепестков, образованных секторами, радиусы которых монотонно изменяются на одинаковую часть зоны Френеля для средней длины волны диапазона, а угловые величины секторов Ф_n определяются соотношением:
для четного числа секторов 2N с каждой стороны относительно оси симметрии лепестка

где n=1, 2, 3,..., N - номер сектора;
2N - число секторов лепестка отражателя с каждой стороны относительно его оси симметрии;
R_n - расстояние от антенны до внешней кромки сектора с номером n;
R₀ - расстояние от антенны до центра отражателя;
F₀ - значение модуля характеристики направленности антенны в направлении на центр отражателя;
F_n - значение модуля характеристики направленности антенны в направлении на внешнюю кромку сектора с номером n;
М - число лепестков отражателя;

ΣФ_n - сумма угловых величин всех секторов лепестка;
1/Q - заданная величина погрешности поля отражателя относительно поля бесконечной отражающей плоскости;
для нечетного числа секторов 2N+1

где n=0, 1, 2,..., N. 2. Плоский радиолокационный отражатель по п.1, отличающийся тем, что кромка лепестков отражателя образована огибающей центров внешних кромок секторов, при числе секторов много больше двух.