АНТЕННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2010 года по МПК H01Q21/24 

Изобретение относится к антенным системам радиолокационных станций (РЛС) малогабаритного/миниатюрного исполнения с непрерывным режимом излучения.

Изобретение может быть использовано в радиолокационных системах обнаружения, сопровождения, охраны и предупреждения, а также в головках самонаведения ракет и других подвижных объектов.

Основной проблемой РЛС, работающих в режиме непрерывного излучения, является получение необходимой величины развязки между каналами приема и передачи, что во многих случаях реализуется применением разнесенных в пространстве раздельных зеркальных антенн для каждого из этих каналов [1-3]. Такое решение неизбежно увеличивает габариты, вес и энергопотребление в системе приводов при сканировании. Это ограничивает миниатюризацию РЛС и возможность размещения ее на подвижных носителях, но позволяет снизить уровень сигнала передатчика на входе канала приема в 10⁵-10⁷ и более раз, т.е. не менее чем на 50-70 дБ [3, стр.253; 4, стр.18].

Антенная система - переключатель прием/передача, выбранная в качестве прототипа, основана на применении волн с эллиптической поляризацией, обладает ничтожным затуханием (потерями) и, кроме того, обеспечивают изоляцию передатчика от влияния изменений полного сопротивления антенны [5, стр.322; 6, стр.85]. Передаваемая волна имеет одно направление вращения плоскости поляризации, а принимаемая волна, благодаря отражению, имеет обратное направление вращения плоскости поляризации. В источнике [6, стр.85], показана антенная система прототипа с параболическим трансрефлектором, ротафлектором и рупором, на котором реализован антенный переключатель. Сигнал передатчика вертикальной поляризации поступает на вход поляризационного моста, к ортогональному входу которого подключен приемник. Преобразование линейной поляризации в эллиптическую (круговую) поляризацию или наоборот можно осуществить в самой антенне [7; 5 стр.323] с помощью поляризующих зеркал - ротафлектора [5, стр.323; 10;].

На Фиг.2, взятой из источника [6, стр.85], показана антенная система прототипа с параболическим трансрефлектором, ротафлектором и рупором, на котором реализован антенный переключатель. Сигнал передатчика вертикальной поляризации поступает на вход поляризационного моста, к ортогональному входу которого подключен приемник. Преобразование линейной поляризации в эллиптическую (круговую) поляризацию или наоборот можно осуществить в самой антенне [7; 5 стр.323] с помощью поляризующих зеркал - ротафлектора [5, стр.323; 10;].

В качестве устройства разделения каналов прием/передача можно использовать поляризационный разделитель (мост) путем подсоединения к противоположным прямоугольным плечам турникетного шестиплечего соединения приемника и передатчика; оставшиеся пары плечей нагружаются короткозамыкателями таким образом, что их электрические длины отличаются на 1/4λ_g, - где λ_g длина волны в волноводе. На частоте 9 ГГц такой антенный переключатель обеспечивает [5, стр.323, 10] изоляцию (развязку) лучше 40 дБ в полосе 100 МГц.

Недостатками прототипа являются:

- недостаточная величина развязки между каналами прием/передача, ограничивающая дальность действия РЛС уровнем просачивающихся на вход приемника шумов собственного передатчика;

- ограниченная точность пеленгации угловых координат цели, так как пеленгация цели проводится по методу максимума, где амплитудная диаграмма имеет малую крутизну.

Метод расчета требуемой развязки (изоляции) между каналами передачи и приема приведен в [11, стр.273], где показано, что в режиме непрерывного излучения величина допустимой просачивающейся в приемник мощности передатчика РЛС должна быть ограничена [11, стр.273; 2, стр.97]:

- максимально допустимой мощностью, выдерживаемой входными устройствами приемника без повреждения или снижения чувствительности приемника из-за перегрузки (условие безопасности);

- величиной просачивающихся на вход приемника шумов передатчика, обусловленных паразитной амплитудной и частотной модуляцией сигнала передатчика из-за недостаточной фильтрации питающих напряжений, микрофонного эффекта, нестабильности частоты задающего генератора, собственных шумов задающего генератора и усилителя передатчика, что приводит к насыщению приемника прямым сигналом передатчика. Шумы передатчика имеют практически сплошной спектр, ширина которого примерно равна полосе пропускания СВЧ контуров передатчика.

Изложенные требования отражены на графике требуемой развязки передатчика и приемника средней чувствительности [11, стр.273], где приняты: коэффициент шума = 10; Т°=290°. На Фиг.3 обозначены: прямая А, характеризующая требования безопасности; прямая Б соответствует m_пер(f)=130 дБ/ВтГц; прямая В при m_пер(f)=100 дБ/ВтГц; где m_пер(f) - функция с размерностью 1/Гц, величина которой определяется типом передатчика [2, стр.97]. Следует отметить, что уровень шумов (помех), обусловленных отражениями от близких неподвижных целей, снижают, как правило, доплеровской фильтрацией, а для устранения перегрузки УПЧ используют усилители с логарифмическими характеристиками.

Требующиеся параметры - величина развязки между каналами прием/передача следуют из анализа Фиг.3 (прямые Б, В). Из Фиг.3 видно, что величина развязки прототипа в 40 дБ недостаточна для обеспечения работы приемного устройства РЛС. В связи с чем возникает необходимость дополнительного ослабления проникающего в канал приема излучения передатчика с соответствующей ему поляризацией.

Решаемая техническая задача направлена на увеличение развязки (изоляции) между каналами прием/передача при использовании одной антенны до уровня 50-70 дБ, т.е. до уровня, который обеспечивают двухантенные зеркальные системы. Повышение точности пеленгации целей до современных требований достигается применением амплитудного суммарно-разностного (моноимпульсного) метода пеленгации.

Решение поставленной технической задачи в антенной системе, содержащей главное параболическое зеркало - трансрефлектор и расположенный на его поверхности поляризатор - ротафлектор, а также рупорные облучатели каналов приема и передачи, достигается тем, что рупорные облучатели имеют взаимно ортогональную поляризацию и вынесены из поля лучей, отраженных главным параболическим зеркалом и размещены в фокусах малого гиперболического зеркала, где рупорный облучатель канала приема находится в фокусе малого гиперболического зеркала, с вогнутой его стороны, фокус которого совмещен с фокусом главного параболического зеркала, а рупорный облучатель канала передачи находится во втором фокусе малого гиперболического зеркала, с выпуклой его стороны, причем поверхность малого гиперболического зеркала является поляризационно-селективной, а рупорный облучатель канала приема выполнен многомодовым с линейной поляризацией, ортогональной поляризации рупорного облучателя канала передачи, к рупорному облучателю канала приема подключена волноводная система, образующая выходы опорной общей суммарной диаграммы Σ и двух разностных диаграмм азимутальной Δφ и угломестной Δθ, а также имеются два регулировочных микрометрических винта, обеспечивающих при регулировке независимый поворот вокруг продольных осей малого гиперболического зеркала и рупорного облучателя канала приема соответственно.

На Фиг.1 приведено устройство предлагаемой антенной системы, на Фиг.2 приведено устройство прототипа, на Фиг.3 приведен график, характеризующий требуемую величину развязки между каналами прием/передача.

Антенная система (фиг.1) содержит главное параболическое зеркало 1 - трансрефлектор и расположенный на его поверхности поляризатор - ротафлектор 2, а также рупорные облучатели 3, 4 каналов приема и передачи, причем рупорные облучатели 3, 4 имеют взаимно ортогональную поляризацию и вынесены из поля лучей, отраженных главным параболическим зеркалом 1, и размещены в фокусах малого гиперболического зеркала 5, где рупорный облучатель 3 канала приема находится в фокусе малого гиперболического зеркала 5, с вогнутой его стороны, фокус которого совмещен с фокусом главного параболического зеркала 1, а рупорный облучатель 4 канала передачи находится во втором фокусе малого гиперболического зеркала 5, с выпуклой его стороны, причем поверхность малого гиперболического зеркала 5 является поляризационно-селективной, а рупорный облучатель 3 канала приема выполнен многомодовым с линейной поляризацией, ортогональной поляризации рупорного облучателя канала передачи, к рупорному облучателю 3 канала приема подключена волноводная система 6, образующая выходы опорной общей суммарной диаграммы Σ 7 и двух разностных диаграмм 8 азимутальной Δφ и угломестной Δθ, а также имеются два регулировочных микрометрических винта 9 и 10, обеспечивающих при регулировке независимый поворот вокруг продольных осей малого гиперболического зеркала 5 и рупорного облучателя 3 канала приема соответственно.

На Фиг.2, взятой из источника [6, стр.85], показана антенная система прототипа с параболическим трансрефлектором 11, ротафлектором 12 и рупором 13, на котором реализован антенный переключатель. Сигнал передатчика 14 вертикальной поляризации поступает на вход поляризационного моста 15, к ортогональному входу которого подключен приемник 16. Преобразование линейной поляризации в эллиптическую (круговую) поляризацию или наоборот можно осуществить в самой антенне [7; 5 стр.323] с помощью поляризующих зеркал - ротафлектора [5, стр.323; 10;].

Работа предлагаемой антенной системы может быть пояснена следующим. Излучение передатчика (не показан), с линейной, например горизонтальной, поляризацией через рупорный облучатель 4 канала передачи, размещенный в одном из фокусов малого гиперболического зеркала 5 (Фиг.1), облучает малое гиперболическое зеркало 5, которое имеет поляризационно-селективную поверхность, отражающую линейно поляризованное излучение канала передачи, что снижает величину мощности передатчика, просачивающейся к рупорному облучателю 3 канала приема (приемное устройство на чертеже не показано), и далее излучение попадает на трансрефлектор 1 и ротафлектор 2 и излучается в виде волны, вращающейся в определенном направлении поляризации. Принимаемый сигнал с обратным направлением вращения поляризации, отражаясь от трансрефлектора 1 и ротафлектора 2, будет иметь в нашем случае вертикальную поляризацию, для этого сигнала практически поляризационно-селективная поверхность малого гиперболического зеркала 5 прозрачна. Поляризационно-селективная поверхность малого гиперболического зеркала 5 может быть осуществлена фрезерованием системы щелей на поверхности малого гиперболического зеркала 5 так, чтобы коэффициент отражения энергии с поляризацией канала передачи составлял величину порядка 20-30 дБ, а коэффициент прохождения с ортогональной к нему поляризацией канала приема обеспечивал потери порядка 0,1 дБ. Тогда, общая развязка между каналами прием/передача, создаваемая поляризационно-селективной поверхностью малого гиперболического зеркала 5 и ортогональностью каналов приема-передачи, будет не меньше изоляции, создаваемой системой из двух антенн в 50-70 дБ.

Метод расчета характеристик поляризационно-селективных поверхностей (коэффициентов отражения и прохождения) и их конструктивное исполнение изложены в [6, стр.82; 12, стр.105].

Для осуществления первоначальной регулировки, устраняющей влияние допусков на установку ортогональности волноводных каналов прием-передача и ротафлектора 2, рупорный облучатель 3 канала приема и малое гиперболическое зеркало 5, имеющее поляризационно-селективную поверхность, могут при первоначальной регулировке антенной системы вращаться вокруг своих продольных осей с помощью микрометрических винтов 10 и 9 для достижения максимальной развязки между каналами.

Многомодовый рупорный облучатель 3 линейной поляризации канала приема располагается в фокусе главного параболического зеркала 1, совмещенном со вторым фокусом малого гиперболического зеркала 5, и осуществляет прием сигналов с поляризацией ортогональной поляризации канала передачи.

Для реализации пеленгации цели амплитудным суммарно-разносным (моноимпульсным) способом используется многомодовый рупорный облучатель 3 канала приема, к которому подключена волноводная система 6, позволяющая сформировать опорную опорную (общую) суммарную ДН (Σ) и две (азимутальную Δθ_Г и угломестную Δθ_В) разностных диаграммы направленности (ДН). Основными достоинствами многомодовых облучателей являются [13, стр.26; 14, стр.194]:

- обеспечение неразделенной апертурой эффективности связи с антенной для формирования суммарного канала;

- малогабаритность и простота конструкции, обеспечивающие малые потери, небольшую массу и малое затенение апертуры;

- короткая симметричная структура, обеспечивающая не зависящую от частоты стабильность равносигнальной оси.

- обеспечение нечувствительности к амплитудным флуктуациям сигнала цели и высокой помехоустойчивости по отношению к активным помехам.

Принцип работы многомодового облучателя, характеристики и образец конструкции изложены в [13, стр.26].

ЛИТЕРАТУРА

1. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория. Справочник. Под ред. Ширмана Я.Д. М.: ЗАО «МАКВИС», 1998, 825 с.

2. Сколник М. Введение в технику радиолокационных систем. М.: МИР, 1965, 747 с.

3. Винницкий А.С. Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. М.: Сов. Радио, 1961, 494 с.

4. Бакулев П.А. Радиолокационные методы селекции движущихся целей. М.: Оборонгиз, 1958. (стр.18).

5. Харвей А.Ф., Техника СВЧ, т.2. М.: Сов. радио, 1965, стр.323-332.

6. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарачев В.А., Поляризация радиоволн, кн.2. Радиолокационные поляриметры. М.: Радиотехника, 2007, 640 с.

7. Laaff O.: Tunable Arial Duplexer, Fernmeldetech. Z., 1954, 7, p.688.

8. Fellers R.G., A Circular - Polarization Duplexer for Millimeter Waves, Common. Electronics, 1960, No.46, January, p.934.

9. Ramsay J.F., Circular polarization for CW radar, Marconi Rev., 1952, v.15, p.71-89.

10. Meyer M.A. and Goldberg H.B., Applications of the Turnstile junction, Trans. IRE, 1955, MTT-3, No.6, p.40.

11. Свистов В.М. Радиолокационные сигналы и их обработка. М.: Сов. радио, 1977, стр.273-276.

12. Конторович М.И. и др. Электродинамика сетчатых структур. М.: Радио и связь, 1987, 131 с.

13. Справочник по радиолокации под ред. М. Сколник, т.4. М.: Сов. радио, 1978 (стр.26-28, рис.26-6).

14. Фельдман Ю.И. и др. Сопровождение движущихся целей. М.: Сов. радио, 1978, стр. 194.

Изобретение относится к антенным системам радиолокационных станций (РЛС) малогабаритного/миниатюрного исполнения с непрерывным режимом излучения. Техническим результатом изобретения является повышение точности пеленгации целей до современных требований. Согласно изобретению антенная система содержит главное параболическое зеркало (ГПЗ) - трансрефлектор и расположенный на его поверхности поляризатор-ротафлектор, а также рупорные облучатели (РО), каналов приема и передачи, при этом РО имеют взаимно ортогональную поляризацию и вынесены из поля лучей, отраженных ГПЗ и размещены в фокусах малого гиперболического зеркала (МПЗ), где РО канала приема находится в фокусе МПЗ, с вогнутой его стороны, фокус которого совмещен с фокусом ГПЗ, а РО канала передачи находится во втором фокусе МПЗ, с выпуклой его стороны, причем поверхность МПЗ выполнена поляризационно-селективной, а РО канала приема выполнен многомодовым с линейной поляризацией, ортогональной поляризации РО канала передачи, к РО канала приема подключена волноводная система, образующая выходы опорной общей суммарной диаграммы ∑ и двух разностных диаграмм азимутальной Δφ и угломестной Δθ, а также имеются два регулировочных микрометрических винта обеспечивающих, при регулировке, независимый поворот вокруг продольных осей МПЗ и РО канала приема соответственно. 3 ил.

Антенная система, содержащая главное параболическое зеркало - трансрефлектор и расположенный на его поверхности поляризатор - ротафлектор, а также рупорные облучатели каналов приема и передачи, отличающаяся тем, что рупорные облучатели имеют взаимно ортогональную поляризацию и вынесены из поля лучей, отраженных главным параболическим зеркалом, и размещены в фокусах малого гиперболического зеркала, где рупорный облучатель канала приема находится в фокусе малого гиперболического зеркала, с вогнутой его стороны, фокус которого совмещен с фокусом главного параболического зеркала, а рупорный облучатель канала передачи находится во втором фокусе малого гиперболического зеркала с выпуклой его стороны, причем поверхность малого гиперболического зеркала является поляризационно-селективной, а рупорный облучатель канала приема выполнен многомодовым с линейной поляризацией, ортогональной поляризации рупорного облучателя канала передачи, к рупорному облучателю канала приема подключена волноводная система, образующая выходы опорной общей суммарной диаграммы ∑ и двух разностных диаграмм азимутальной Δφ и угломестной Δθ, а также имеются два регулировочных микрометрических винта, обеспечивающих при регулировке независимый поворот вокруг продольных осей малого гиперболического зеркала и рупорного облучателя канала приема соответственно.