РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК H01Q19/17 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в качестве радиолокационного маяка с целью его селекции на фоне подстилающей поверхности по поляризационным признакам.

Известна антенна (Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. Ч. 2. Антенны. - М.: Радио и связь, 1983), представляющая собой параболический рефлектор, облучаемый несколькими рупорами, расположенными в один ряд в фокальной плоскости рефлектора. Один из рупоров находится в фокусе, ему соответствует диаграмма направленности, близкая к оси рефлектора, остальные рупоры смещены из фокуса и чем больше это смещение, тем больше отклонение диаграммы излучения от оси рефлектора. Распределяя соответствующим образом мощность между облучателями, добиваются того, что результирующая диаграмма направленности антенны имеет вид, требуемый в конкретной решаемой задаче.

Недостатком описанной выше конструкции является то, что она обладает ограниченными возможностями и не может служить в качестве радиолокационного маяка, обладающего ярко выраженными невзаимными свойствами.

Радиолокационный отражатель, состоящий из пассивной переизлучающей антенны, выполненной в виде параболоида вращения, в фокальной плоскости которого симметрично расположены N облучателей, фазовый центр одного из облучателей находится в фокусе параболоида, а остальные облучатели смещены в фокальной плоскости в направлениях, перпендикулярных оси параболоида, отличается тем, что облучатели представляют собой закороченные с одной стороны отрезки круглых волноводов с размещенными внутри замагниченными ферритовыми стержнями, при этом максимальное количество облучателей n_max в произвольном сечении фокальной плоскости определяется из условия
,
где f - фокусное расстояние зеркала;
d -диаметр апертуры зеркала антенны;
D - внешний диаметр облучателя;
Θ_0,5 - ширина главного лепестка диаграммы направленности параболической антенны по мощности на уровне 0,5 для облучателя, размещенного в фокусе.

Известно, что наиболее полно поляризационные и энергетические характеристики рассеяния цели описывает оператор рассеяния, проекцией которого на тот или иной поляризационный базис является матрица рассеяния. В случаях, когда область распространения падающих и рассеянных волн является невзаимной, матрица обратного рассеяния (МОР) произвольной среды имеет несимметричную форму [1]
.

Элементы такой МОР в общем случае являются комплексными переменными, при этом
В работе [2] вводится параметр ξ, называемый коэффициентом невзаимности, который определяется согласно выражению
.

Параметр ξ позволяет производить классификацию сред и объектов на
- абсолютно взаимные среды, для которых ξ=0;
- абсолютно невзаимные среды, для которых ξ=1;
- частично невзаимные среды, для которых ξ лежит в интервале от нуля до единицы.

Создание искусственных радиолокационных объектов, обладающих невзаимными свойствами (ξ≠0), позволяет решать задачи селекции радиолокационных объектов по поляризационным признакам на фоне подстилающей поверхности.

Как показано в работе [3] , переизлучающий облучатель, выполненный в форме отрезка закороченного круглого волновода с размещенным внутри замагниченным ферритовым стержнем, обладает ярко выраженными невзаимными свойствами. Невзаимные свойства такого облучателя проявляются в том, что плоскость поляризации электромагнитной волны при прямом и обратном прохождении через феррит, находящийся в продольном магнитном поле, будет поворачиваться в одну и ту же сторону и на тот же самый угол α. При поляризации падающей и отраженной волн оказываются ортогональными, при этом параметр ξ=1, а переизлучающий облучатель является абсолютно невзаимным.

Известно, что смещение облучателя из фокуса рефлектора в направлении, перпендикулярном оси зеркала на расстояние Δx, вызывает наклон отраженных лучей и, следовательно, наклон максимума излучения на угол δ, определяемый соотношением [4]

где
d - диаметр апертуры зеркала антенны;
f - фокусное расстояние зеркала.

При небольшой величине смещения облучателя и достаточно длиннофокусном зеркале фазовое распределение поверхности раскрыва близко к линейному. Вынос облучателя из фокуса на большое расстояние приводит к тому, что фазовое распределение поверхности раскрыва становится нелинейным, а это искажает форму главного лепестка и поляризационные свойства антенны. Поэтому количество облучателей рассматриваемой антенны-отражателя ограничено. Допускается такое смещение облучателя Δx_max, при котором угол δ не превышает [5]
(2÷3)•Θ_0,5, (2)
где Θ_0,5 - ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны по мощности на уровне 0,5 для облучателя, размещенного в фокусе.

При этом пространственный разнос соседних облучателей необходимо выбирать таким, чтобы разница угла наклона отражающих волн не превысила Θ_0,5. Следует также отметить, что в реальной конструкции число облучателей не может быть выбрано слишком большим еще и потому, что они затеняют зеркало, уменьшая при этом эффективную апертуру антенны.

На основании вышеизложенного рассчитаем максимальное количество отражателей n_max, которые могут быть расположены в произвольном сечении фокальной плоскости, проходящем через фокус антенны. Очевидно n_max будет определяться геометрическими размерами облучателя и максимально допустимым отклонением Δx_max, что может быть записано в виде

где D - внешний диаметр облучателя, определяемый внутренним диаметром круглого волновода, толщиной стенок и толщиной соленоидального электромагнита (или постоянного магнита);
n_max - целое число.

Из (1) и (2) следует, что

Подставляем (4) в (3) и окончательно получаем

С тем чтобы обеспечить широкую диаграмму обратного рассеяния (ДОР), в конструкцию отражателя нужно ввести дополнительные облучатели в других сечениях фокальной плоскости антенны с соблюдением тех же условий. ДОР рассматриваемой антенны-отражателя будет формироваться для каждого из направлений падающих лучей своим короткозамкнутым облучателем.

Поляризационные характеристики рассматриваемой антенны с учетом симметричных свойств самого зеркала определяются свойствами облучателей. Ширина диаграммы направленности открытого конца круглого волновода в Е- и Н-плоскостях различна, поэтому при необходимости следует принимать меры по симметрированию диаграммы направленности облучателя [1].

На фиг. 1-3 в различных плоскостях представлен радиолокационный отражатель, состоящий из параболического зеркала 1, в фокальной плоскости которого расположены N переизлучающих облучателей, закрепленных с помощью держателя 4. Фазовый центр одного из облучателей находится в фокусе параболоида, остальные облучатели вынесены из фокуса, при этом максимальное расстояние, на которое вынесены облучатели определяется допустимыми фазовыми искажениями поля, формируемого антенной. С целью симметрирования диаграммы обратного рассеяния радиолокационного отражателя короткозамкнутые облучатели расположены в различных сечениях фокальной плоскости. Каждый из облучателей имеет одинаковую конструкцию, изображенную на фиг.4, и включает в себя отрезок круглого волновода с отражающей стенкой 2, диэлектрическую вставку 6, феррит 5, степень намагниченности которого можно изменять с помощью тока, протекающего через катушку соленоидального электромагнита 3.

Устройство работает следующим образом: электромагнитная волна, падающая на внутреннюю поверхность параболического зеркала 1, возбуждает на ней токи, возбужденная поверхность переизлучает электромагнитную волну в сторону закороченных облучателей, далее электромагнитная волна распространяется в волноводе 2, при этом плоскость ее поляризации при прохождении через замагниченный феррит 4 поворачивается на угол α, определяемый степенью технической намагниченности, после отражения от закороченной стенки волна распространяется в обратную сторону, при этом плоскость ее поляризации при прохождении через замагниченный феррит 5 поворачивается на тот же угол α и в ту же сторону, так что в результате плоскость поляризации волны на выходе волноводного отражателя оказывается повернутой на угол 2•α, волновод 2 излучает волну в сторону параболического зеркала 1, поверхность которого переизлучает волну в окружающее пространство.

Моностатическая эффективная поверхность рассеяния переизлучающей антенны может быть определена как [6]
σ_m = S_э•D_m,
где S_э - действующая площадь антенны;
D_m- максимальное значение коэффициента направленного действия (КНД), соответствующее направлению антенны строго на источник.

С учетом направленных свойств переизлучающих облучателей, размещенных в фокальной плоскости антенны, диаграмма обратного рассеяния рассматриваемого радиолокационного отражателя может быть определена по следующей формуле:
σ(ϕ, θ) = S_э•D_m•F₁(ϕ, θ)•F₂(ϕ, θ), (6)
где F₁(ϕ, θ) и F₂(ϕ, θ) - нормированные диаграммы направленности по мощности параболической антенны по углу азимута и углу места θ по отношению к источнику сигналов в сечениях фокальной плоскости, соответствующих ориентации плоскостям поляризации падающего и отраженного сигналов.

В случае равномерного симметричного распределения закороченных облучателей в фокальной плоскости параболической антенны и принятия мер по симметрированию диаграмм направленности в Е- и Н-плоскостях каждого из облучателей F₁(ϕ, θ) и F₂(ϕ, θ).
Диаграмма направленности по напряжению параболической антенны для облучателя, размещенного в фокусе, определяется [5]
,
где λ - длина волны в воздухе;
k = 2•π/λ - волновое число;
Δ - относительная (по сравнению со значением в середине) величина поля на краях раскрыва зеркала; распределению поля в раскрыве длиннофокусной антенны, созданному облучающим концом круглого волновода, ориентировочно соответствует величина Δ=0,7;
Ф(θ) - диаграмма направленности открытого конца круглого волновода облучателя по напряжению в Е-плоскости, определяемая [7] как

где λ_в - длина волны в волноводе;
а - радиус волновода.

С учетом соотношения (6) ДОР переизлучающей антенны, в произвольном сечении фокальной плоскости которой расположены n (симметричных относительно оптической оси) облучателей, определяется выражением

где
δ - угол наклона диаграммы направленности антенны для соседних облучателей, разнесенных в плоскости сечения на расстояние Δx.

Анализ выражения (8) показывает, что ДОР обладает колебательностью ε в пределах своего главного лепестка, при этом ε≤3 дБ в том случае, когда угол наклона δ≤0,8•Θ_0,5. При этом ширина главного лепестка ДОР Δθ_0,5 определяется
Δθ_0,5≈δ•n.
На фиг.5 представлена нормированная ДОР невзаимной переизлучающей параболической антенны с диаметром апертуры d=76 см, с количеством облучателей в любом из сечений фокальной плоскости n=7, на длине волны λ=3 см, с. углом наклона δ₁ = 0,75•(Θ_0,5). Ширина главного лепестка ДОР составляет Δθ_0,5≈15^°. При этом эффективная апертура антенны составляет S_э≈0,6•π•d²≈1,09 м², КНД антенны равен D_m = 4•π•S_э/λ²≈41,8 дБ, а ЭПР σ_m≈16590 м².

Относительно широкая ДОР и значительная ЭПР позволяют использовать отражатель в качестве радиолокационного маркера, обладающего кодированными невзаимными свойствами, что создает физическую основу для эффективного обнаружения маркера на фоне подстилающей поверхности по поляризационным признакам.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Канарейкин Д.Б., Потехин В.А., Шишкин М.Ф. Морская поляриметрия. - Л. : Судостроение, 1968.

2. Хлусов В. А. Параметризация матрицы обратного рассеяния невзаимных сред// Оптика атмосферы и океана, 8 (1995), 1441-1445.

3. Хлусов В. А. Методы оценки полной матрицы обратного рассеяния в активных радиолокационных системах/Труды сиб. пол. семинара "SIBРОL-2000", Томск: изд-во ТГУСУР, 2000.

4. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. Ч.2. Антенны. - М. : Радио и связь, 1983.

5. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. - М.: Связь, 1972.

6. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: Сов. радио, 1975.

7. Айзенберг Г.З. Антенны ультракоротких волн. - М.: Гос. изд. лит-ры по вопр. связи и радио, 1957.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в качесте радиолокационного маяка. Технический результат заключается в получении большого значения эффективной поверхности рассеяния, широкой диаграммы обратного рассеяния и ярко выраженных невзаимных на прием и передачу свойств. Сущность изобретения заключается в наличии пассивной переизлучающей антенны в виде параболоида вращения, в фокальной плоскости которого симметрично расположены облучатели. Фазовый центр одного из облучателей находится в фокусе параболоида, а остальные облучатели смещены в фокальной плоскости в направлениях, перпендикулярных оси параболоида. Облучатели представляют собой закороченные отрезки круглого волновода с размещенными в них замагниченными ферритовыми стержнями. 5 ил.

Радиолокационный отражатель, состоящий из пассивной переизлучающей антенны, выполненной в виде параболического зеркала, в фокальной плоскости которого симметрично расположены N облучателей, фазовый центр одного из облучателей находится в фокусе параболического зеркала, а остальные облучатели смещены в фокальной плоскости в направлениях, перпендикулярных оси параболического зеркала, отличающийся тем, что облучатели представляют собой закороченные с одной стороны отрезки круглых волноводов с размещенными внутри замагниченными ферритовыми стержнями, при этом максимальное количество облучателей n_max в произвольном сечении фокальной плоскости определяется из условия

где f - фокусное расстояние параболического зеркала;

d - диаметр апертуры параболического зеркала;

D - внешний диаметр облучателя;

Θ_0,5 - ширина главного лепестка диаграммы направленности параболического зеркала по мощности на уровне 0,5 для облучателя, размещенного в фокусе.