ПЛОСКИЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ 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 на фиксированной дальности.

Известен ряд радиолокационных отражателей как простых (сфера, диск и т. п. ) ([1], с. 101-132), так и сложных форм [1, 2, 3, 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 длины волны и расстояния до радиолокационного измерителя дальности.

Известен бесконечный плоский идеально проводящий отражатель ([1], с. 19; [5] , с. 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 длины волны и 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] , с. 108-121). Такой отражатель имеет небольшие размеры. Однако он не обеспечивает необходимой точности измерения электродинамической дальности из-за того, что при изменении частоты фаза отраженного поля имеет колебательную составляющую, что можно показать, используя известное выражение для отраженного поля ([6], с. 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 нормально 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 в широком диапазоне частот.

Для решения поставленной задачи плоский радиолокационный отражатель выполнен не менее чем из трех групп секторов одинакового радиуса в группе, между группами радиус секторов изменяется на одну зону Френеля для средней длины волны диапазона, а суммы угловых величин секторов одинакового радиуса ΣФ_n связаны с отношением модуля характеристики направленности антенны в направлении на центр отражателя F₀ к модулю характеристики направленности антенны в направлении на внешние кромки секторов F_n и с отношением расстояния до кромки R_n к расстоянию до центра отражателя R₀ соотношением

где

N - число групп секторов отражателя одинакового радиуса в группе;
n = 1, 2, 3, ..., N - номер группы секторов.

Внешние кромки группы секторов минимального радиуса могут совпадать с нецелым числом зон Френеля, в том числе ρ_min может быть равно нулю.

Плоский радиолокационный отражатель выполнен симметричным относительно осей прямоугольной системы координат, при этом сектора одинаковых радиусов распределены по всем квадрантам равномерно.

На внешних кромках секторов отражателя дополнительно размещен поглощающий материал в виде частей круговых колец, дополняющих сектора до соответствующих зон Френеля для волн, отраженных от затененных отражателей.

На фиг. 1 изображен плоский радиолокационный отражатель. На фиг.2 изображено расположение отражателя относительно антенны радиодальномера и относительно затененного отражателя.

Плоский радиолокационный отражатель 1 (фиг.1) выполнен не менее чем из трех групп 2 секторов одинакового радиуса R_n в группе, между группами радиус секторов изменяется на одну зону Френеля для средней длины волны диапазона λ₀

а суммы угловых величин секторов ΣФ_n одинакового радиуса R_n определяются соотношением

где

n = 1, 2, 3, ..., N - номер группы секторов;
N - число групп секторов одинакового радиуса в группе;
F₀ - модуль характеристики направленности антенны в направлении на центр отражателя (фиг.2);
F_n - модуль характеристики направленности антенны в направлении на внешнюю кромку секторов радиуса R_n (фиг.2);
- расстояние от антенны 3 до кромки секторов (фиг.2);
R₀ - расстояние до центра отражателя (фиг.2).

Внешние кромки группы секторов минимального радиуса ρ_min могут совпадать с нецелым числом зон Френеля, в том числе ρ_min может быть равно нулю.

Плоский радиолокационный отражатель (фиг.1 и 2) выполнен симметричным относительно осей 4, 5 прямоугольной системы координат, при этом сектора одинаковых радиусов ρ_n распределены по всем квадрантам равномерно.

На внешних кромках отражателя дополнительно размещен поглощающий материал 6 в виде частей круговых колец, дополняющих сектора до соответствующих зон Френеля для волн, отраженных от затененных отражателей 7.

Работу отражателя можно пояснить следующим образом. Волны, излучаемые антенной 3 (фиг.2) радиолокационного дальномера, падающие на отражатель 1, создают вторичное, отраженное поле. При ориентации отражателя по нормали к направлению на антенну , как указано выше, отраженное поле определяется выражением (2)

где М - число секторов в группе одинакового радиуса R_n, которое после преобразований можно представить в виде

Первое слагаемое соответствует полю, отраженному бесконечным плоским отражателем. Второе слагаемое определяет величину погрешности формирования поля отражателем конечных размеров по сравнению с полем бесконечного отражателя.

Аргумент этого выражения определяет фазу отраженного поля и соответственно электродинамическую дальность до отражателя. Нормированное к полю бесконечного отражателя выражение (3) примет вид

где U_погр - нормированная к полю бесконечного отражателя величина погрешности поля отражателя конечных размеров.

Если радиусы групп секторов и величины групп секторов выполнить в соответствии с формулой изобретения, то погрешность поля будет

а погрешность определения дальности (разность ΔR между геометрической R_г и электродинамической R_э дальностями ΔR = R_г-R_{э =}) будет

Размещение на внешних кромках секторов отражателя поглощающего материала в виде частей круговых колец (фиг.1), дополняющих сектора до соответствующих зон Френеля для волн, отраженных от затененных отражателей (фиг.1, поз. 6), обеспечивает соответствие измеренных электродинамической и геометрической дальностей при наличии дополнительных отражателей, которые могут быть установлены для выполнения процесса калибровки радиолокационных измерителей дальности. В этом случае дальний отражатель (фиг.2, поз.7) выполняется неподвижным, а ближний 1 выполняется съемным.

Из приведенного выражения (4) следует, например, что отражатели из трех и пяти групп секторов в диапазоне длин волн ±10% и ±20% обеспечивают соответствие геометрической и электродинамической дальности не хуже 0,0012 λ₀ и 0,0014 λ₀ соответственно.

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 1631638, 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. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", 1973.

Отражатель может быть использован для аттестации, поверки и калибровки радиолокационных измерителей дальности в качестве эталонного, преимущественно на фиксированной дальности. Техническим результатом является обеспечение соответствия геометрической и электродинамической дальности с погрешностью не хуже 0,0012 длины волны в диапазоне длин волн ±10% и 0,0014 длины волны в диапазоне длин волн ±20%, если его размеры равны соответственно двум и четырем зонам Френеля на средней длине волны диапазона. Плоский широкополосный радиолокационный отражатель выполнен не менее чем из трех групп секторов одинакового радиуса в группе, между группами радиус секторов изменяется на одну зону Френеля для средней длины волны диапазона, а суммы угловых величин секторов одинакового радиуса распределены по закону, близкому к биномиальному. Минимальный радиус группы секторов отражателя может быть произвольным и, в том числе, равным нулю. Отражатель выполнен симметричным относительно осей прямоугольной системы координат, при этом сектора одинаковых радиусов распределены по всем квадрантам равномерно. На внешних кромках секторов отражателя размещен поглощающий материал в виде частей круговых колец, дополняющих сектора до соответствующих зон Френеля для волн, отраженных от затененных отражателей. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Плоский широкополосный радиолокационный отражатель, отличающийся тем, что отражатель выполнен не менее чем из трех групп секторов одинакового радиуса в группе, между группами радиус секторов изменяется на одну зону Френеля для средней длины волны диапазона, а суммы угловых величин секторов одинакового радиуса ΣФ_n связаны с отношением модуля характеристики направленности антенны в направлении на центр отражателя F₀ к модулю характеристики направленности антенны на внешние кромки секторов F_n и с соотношением расстояния до кромки R_n к расстоянию до центра отражателя R₀ соотношением

где

N - число групп секторов отражателя одинакового радиуса в группе;
n = 1, 2, 3,...N - номер группы секторов;
2. Плоский широкополосный радиолокационный отражатель по п.1, отличающийся тем, что внешние кромки группы секторов минимального радиуса могут совпадать с произвольным числом зон Френеля, в том числе ρ_min может быть равно нулю. 3. Плоский широкополосный радиолокационный отражатель по п.1, отличающийся тем, что он выполнен симметричным относительно осей прямоугольной системы координат, при этом сектора одинаковых радиусов распределены по всем квадрантам равномерно. 4. Плоский широкополосный радиолокационный отражатель по п.1, отличающийся тем, что на внешних кромках секторов дополнительно размещен поглощающий материал в виде частей круговых колец, дополняющих сектора до соответствующих зон Френеля для волн, отраженных от затененных отражателей.