ГЛИССАДНЫЙ РАДИОМАЯК (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2011 года по МПК G01S1/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в системах инструментального обеспечения захода самолетов на посадку. Глиссадные радиомаяки (ГРМ) метрового и дециметрового диапазонов волн, входящие в упомянутые системы, формируют зону глиссады, предназначенную для управления самолетом в вертикальной плоскости. Глиссадный радиомаяк в соответствии с настоящим изобретением позволяет обеспечить инструментальный заход самолетов на посадку на аэродромах с высоким уровнем снежного покрова и складками рельефа местности, вызывающими интерференцию радиоволн в области глиссады.

Уровень техники

Системы инструментальной посадки самолетов метрового диапазона волн (Instrument landing systems - ILS) развивались до и после 1946 года, когда ILS была принята в качестве международного стандарта и могла быть категорирована в одной из трех групп: с опорным нулем, системой на боковой полосе или системой с решеткой типа М.

Самой простой из названных систем является система с опорным нулем. Она включает в себя две антенны, причем нижняя антенна расположена на высоте в два раза меньшей, чем высота верхней антенны. Нижняя антенна излучает так называемый опорный сигнал, модулируемый одинаково тонами 90 и 150 Гц с фазовой синхронизацией (называемый также суммарным сигналом или сигналом несущей). Нижняя антенна формирует в вертикальной плоскости лепестковую диаграмму направленности с первым максимумом над Землей под углом 3° и первым нулем под углом 6°. Верхняя антенна излучает только сигнал боковой полосы 90 и 150 Гц (называемый сигналом боковых частот или разностным сигналом) и формирует лепестковую диаграмму направленности с первым максимумом под углом 1,5° и первым нулем под углом 3°. Этот первый нуль сигнала боковой полосы под углом 3° задает угол глиссады. Ширина зоны глиссады формируется в окрестности нуля в диаграмме направленности. Сигналы фазируются так, что сигнал боковой полосы, излучаемый верхней антенной, и опорный сигнал, излучаемый нижней антенной, суммируются ниже нуля и дают преимущественно боковые сигналы 150 Гц (150>90) и выше нуля дают преимущественно боковые сигналы 90 Гц (90>150). Таким образом, радиотехническая траектория, называемая глиссадой, формируется в зоне сигнала высокой интенсивности, а приемник просто разделяет и сравнивает звуковые тоны.

Система с нулевой зоной обычно требует наличия ровной плоскости перед ГРМ длиной 800 м для угла глиссады 3°, а поскольку уровень в диаграмме направленности боковой полосы растет от 0° почти линейно, система очень чувствительна к отражениям радиоволн от неровностей Земли.

Глиссадные площадки редко бывают идеальными, антенны часто должны работать при наличии короткой площадки перед ГРМ или при наличии складок рельефа местности в зоне захода самолета на посадку. Любое из этих неблагоприятных условий может сильно ухудшить рабочие характеристики системы с нулевой зоной, а чтобы решить эти проблемы с площадкой, предложены ГРМ с отношением боковых частот и ГРМ с решеткой типа М.

С 1960 г. за рубежом широко используется глиссадная антенна с отношением боковых частот. Она также имеет две антенны. Верхняя антенна возбуждается сигналом боковых частот, а нижняя - сигналом боковых частот и сигналом несущей. Сигнал боковых частот в нижней антенне сдвинут на 180° относительно сигнала боковых частот в верхней антенне. Эта система также чувствительна к отражениям радиоволн от препятствий перед антенной, но требует всего 700 м плоской площадки для глиссады с углом 3°.

ГРМ с решеткой типа М имеет трехэлементную антенную решетку, в которой верхний, нижний и средний элементы возбуждаются сигналами боковых полос, а средний и нижний элементы возбуждаются также сигналами несущей частоты. Сигналы боковых частот для возбуждения верхнего и нижнего элементов имеют амплитуду и фазу 1/0°, а сигнал боковых частот в среднем элементе имеет амплитуду и фазу 2/180°. Сигналы возбуждения несущей среднего элемента имеют амплитуду и фазу 1/0°, а сигнал несущей в нижнем элементе - 2/180°.

Каждый вышеуказанный излучающий элемент может состоять из отдельного диполя, расположенного в уголковом отражателе для получения требуемой направленности. Однако такой излучающий элемент может состоять из решетки излучающих элементов (например, директорная антенна) для получения заданных характеристик направленности.

Известен первый ГРМ дециметрового диапазона волн с опорным нулем [Г.А.Пахолков, В.В.Кашинов и др. "Угломерные радиотехнические системы посадки". - М.: Транспорт. - 1982.], содержащий устройство формирования сигнала суммарного канала, устройство формирования сигналов разностного канала, первую и вторую антенны, разнесенные по вертикали, причем нижняя антенна запитана сигналами суммарного канала, а верхняя антенна запитана сигналами разностного канала. Под сигналом суммарного канала понимается сигнал, формируемый при модуляции высокочастотных колебаний колебаниями с частотами Ω₁ и Ω₂, одинаковыми по амплитуде, при этом колебания Ω₁ и Ω₂ синфазны между собой. Под сигналами разностного канала подразумеваются сигналы боковых частот, формируемых при модуляции высокочастотных колебаний колебаниями с частотами Ω₁ и Ω₂ одинаковыми по амплитуде, при этом высокочастотные колебания имеют сдвиг по фазе на 180°. В системах посадки метрового диапазона в спектр сигналов суммарного канала входит несущая частота. Информационным параметром в системах посадки метрового диапазона волн является разность глубин модуляции (РГМ) излучаемого сигнала колебаниями с частотами Ω₁ и Ω₂, а в системах посадки дециметрового диапазона волн так называемый коэффициент разнослышимости сигналов (КРС) с частотами модуляции Ω₁ и Ω₂. ГРМ с опорным нулем является наиболее простым типом ГРМ, он нашел широкое применение на аэродромах гражданской и военной авиации.

Однако ГРМ с опорным нулем имеет ряд недостатков:

- в ГРМ с опорным нулем угол глиссады задается высотой подвеса верхней антенны относительно подстилающей поверхности. При изменении уровня подстилающей поверхности, а также при изменении ее электрических характеристик, например, при изменении высоты снежного покрова, при изменении влажности снега, при росте травы, изменяется угол глиссады, изменяется крутизна зоны глиссады [Ваксенбург С.И., Войтович Н.И. и др. Влияние снежного покрова на характеристики глиссадного радиомаяка. //Вопросы радиоэлектроники. Серия общетехническая. - 1972, выпуск 14, стр.76-90//];

- если за пределами спланированной площадки перед ГРМ (в зоне захода самолетов на посадку) расположены участки местности с восходящим уклоном, то вследствие отражения радиоволн, излучаемых антеннами ГРМ, от этих участков глиссада "искривляется"; на аэродромах в балочно-овражистой местности, в холмистой и предгорной местности ГРМ с опорным нулем, как правило, не обеспечивает требуемые характеристики;

- мал коэффициент усиления антенн. На аэродромах с лесными массивами, расположенными вблизи торца взлетно-посадочной полосы, снижается дальность действия ГРМ.

Известен второй ГРМ (1545035 [Application №44640/77] UNIVERSITY OF SYDNEY Instrument landing system glidepath antenna array and drive therefor [Australia №8121/76, filed 12 Nov. 1976] H4D H1Q Int Cl³ G018 1/18), содержащий устройство формирования сигналов суммарного канала, устройство формирования сигналов разностного канала, первую и вторую, третью и четвертую антенны, разнесенные по вертикали на равные расстояния друг от друга, причем (при счете снизу вверх) вторая и четвертая антенны запитаны сигналами разностного канала, а первая и третья антенны запитаны сигналами суммарного канала. Благодаря противофазной запитке второй и четвертой антенн снижается уровень облучения складок местности в зоне захода самолетов на посадку, вследствие чего уменьшается величина искривлений глиссады.

Однако второй известный ГРМ имеет недостатки:

- угол и крутизна зоны глиссады изменяются с изменением уровня подстилающей поверхности и с изменением отражающих свойств подстилающей поверхности вследствие воздействия метеофакторов,

- на аэродромах в холмистой и предгорной местности вследствие снижения уровня излучения волн под углами ниже угла глиссады снижается дальность действия радиомаяка.

Известны другие технические решения, предназначенные для обеспечения работы ГРМ на аэродромах с изменяющимся уровнем снежного покрова, представленные в авторских свидетельствах СССР на изобретения и патенте РФ на изобретение:

А.с. №711845. - 2591230. Приоритет 20.03.78. Зарегистр. 28.09.79;

А.с. №1396781. - 4125531. Приоритет 30.09.86. Зарегистр. 15.01.88;

А.с. №1426260. - 4125479. Приоритет 30.09.86. Зарегистр. 22.05.88;

А.с. №275692. - 3163500. Приоритет 11.02.87. Зарегистр. 01.06.88;

А.с. №287782. - 3195405. Приоритет 31.03.88. 3арегистр. 02.01.89;

А.с. №1623443. - 4619435/24-09. Приоритет 13.12.88. Зарегистр. 22.09.90;

А.с. №1626884. - №4619434/09. Приоритет 13.12.88. Зарегистр. 08.10.90;

А.с. №1690468. - 4619436/09. Приоритет 13.12.88. Зарегистр. 08.07.91;

А.с. №1690469. - 4619436/09. Приоритет 13.12.88. 3арегистр. 08.07.91;

А.с. №1695758. - 4731827/09. Приоритет 22.08.89. Зарегистр. 01.08.91;

А.с. №1715060. - 4673557/09. Приоритет 04.04.89. Зарегистр. 22.10.91;

А.с. №1730923. - 4731828/09. Приоритет 22.08.89. Зарегистр. 03.01.92;

А.с. №1734471. - 4673558/09. Приоритет 04.04.89. Зарегистр. 15.01.92;

А.с. №1752075. - 4756469/22. Приоритет 01.11.89. 3арегистр. 26.11.92;

А.с. №1785350. - 4755385/22. Приоритет 01.11.89. Зарегистр. 01.09.92;

А.с. №1802602. - 4873721/09. Приоритет 11.10.90. Зарегистр. 09.10.92;

А.с. №1822264. - 4870495/09. Приоритет 1.10.90. Зарегистр. 12.10.92;

А.с. №1822265. - 4887243/09. Приоритет 28.11.90. Зарегистр. 12.10.92;

А.с. №1828278. - 4809235/09. Приоритет 02.04.90. Зарегистр. 12.10.92; Патент РФ №21222216. - 94032782. Приоритет 08.09.94. Зарегистр. 20.11.98.

Их общим недостатком является малый уровень излучаемых сигналов на нижней границе зоны действия ГРМ. Ранее нижняя граница зоны действия ГРМ проходила под углом 0,45 θ_гл. В соответствии с существующими в настоящее время нормами нижняя граница зоны действия ГРМ проходит под углом 0,3 θ_гл. Новые нормы в отношении параметров ГРМ требуют новых технических решений.

Известен ГРМ, представленный в патенте: Alfred R. Lopez Non-imaging glideslope antenna systems (US №5546095, Aug. 13, 1996).

Недостатком ГРМ в названном патенте является уменьшение уровня излучаемых сигналов в область зоны действия ГРМ.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является повышение стабильности угла глиссады и крутизны зоны глиссадного радиомаяка при изменении высоты подстилающей поверхности вследствие выпадения снега либо роста травы или при изменении отражающих свойств подстилающей поверхности вследствие воздействия метеорологических факторов при обеспечении заданной зоны действия ГРМ.

Поставленная цель достигается тем, что глиссадный радиомаяк, содержащий устройство формирования сигналов суммарного канала, устройство формирования разностного канала, антенную решетку излучающих элементов суммарного канала, антенную решетку излучающих элементов разностного канала, дополнительно содержит первый делитель мощности с одним входом и N выходами, второй делитель мощности с одним входом и N выходами, где N - целое число, большее или равное 2, N делителей мощности на два направления с одним входом и двумя выходами каждый, N фазовращателей суммарного канала, N фазовращателей разностного канала, причем антенная решетка суммарного канала содержит N излучающих элементов ∑_n, а антенная решетка разностного канала содержит N нижних Δн_n и N верхних Δв_n излучающих элементов. Каждому излучающему элементу суммарного канала ∑_n соотнесен один верхний Δв_n и один нижний Δн_n излучающий элемент антенной решетки разностного канала с образованием упорядоченного семейства троек излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n); в каждой тройке нижние и верхние излучающие элементы антенной решетки разностного канала имеют тот же порядковый номер n, что и номер излучающего элемента антенной решетки суммарного канала. Излучающие элементы антенной решетки суммарного канала расположены последовательно друг над другом на высотах Н_n в порядке возрастания номера антенны n от 1 до N, причем высота H₁ первого излучающего элемента равна: Н₁=d+H₀, где , λ - длина волны; θ_гл - заданный угол глиссады, Н₀ - высота подвеса первого нижнего излучающего элемента антенной решетки разностного канала Δн₁ относительно поверхности Земли, примерно равная 1÷2 м для радиомаяков дециметрового диапазона волн, 1÷4 м для радиомаяков метрового диапазона волн. Нижние Δн_n и верхние Δв_n излучающие элементы разностного канала с номером n расположены симметрично относительно излучающего элемента ∑_n антенной решетки суммарного канала на расстоянии ±d относительно упомянутого элемента. При этом устройство формирования сигналов суммарного канала соединено с входом первого делителя мощности на N направлений, выходы которого последовательно соединены с имеющими такие же порядковые номера фазовращателями суммарного канала и излучающими элементами ∑_n упомянутой антенной решетки; устройство формирования сигналов разностного канала соединено с входом второго делителя мощности на N направлений, выходы которого соединены последовательно с фазовращателями разностного канала и входами совпадающих по номерам делителей мощности на два направления с одним входом и первым и вторым выходами; первый выход каждого упомянутого делителя мощности соединен с соответствующим по номеру нижним излучающим элементом, а каждый второй выход соединен с соответствующим по номеру верхним излучающим элементом. Каждая тройка излучающих элементов запитана синфазными токами, причем амплитуды токов в излучающих элементах разностного канала Δн_n и Δв_n равны друг другу, амплитуды токов в излучающих элементах разностного канала пропорциональны токам в излучающих элементах суммарного канала с некоторым коэффициентом, одинаковым для всех троек излучателей. Амплитуды токов в излучателях суммарного канала выбираются из условия обеспечения зоны глиссады и ослабления излучения радиоволн в направлении складок рельефа местности в зоне захода самолетов на посадку.

Введение в состав ГРМ дополнительно первого делителя мощности с одним входом и N выходами, второго делителя мощности с одним входом и N выходами (где N - целое число, большее или равное 2), N делителей мощности на два направления с одним входом и двумя выходами каждый, N фазовращателей суммарного канала, N фазовращателей разностного канала, и применение в антенной решетке суммарного канала N излучающих элементов ∑_n, а в решетке разностного канала N нижних Δн_n и N верхних Δв_n излучающих элементов и их размещение и возбуждение, как указано ниже, позволило создать ГРМ, обеспечивающий за счет совмещения фазового центра антенной решетки излучающих элементов суммарного канала и фазового центра антенной решетки излучающих элементов разностного канала формирование зоны глиссады, не зависимой от уровня и свойств подстилающей поверхности, с уменьшенной величиной искривлений глиссады за счет снижения уровня облучения складок местности в зоне захода самолетов на посадку. Указанные преимущества ГРМ достигаются благодаря тому, что каждому излучающему элементу суммарного канала ∑_n соотнесен один верхний Δв_n и один нижний Δн_n элемент разностного канала с образованием упорядоченного семейства троек излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n). Излучающие элементы антенной решетки суммарного канала расположены последовательно друг над другом на высотах Н_n в порядке возрастания номера антенны n от 1 до N, причем высота H₁ излучающего элемента равна

H₁=d+H₀,

где ,

λ - длина волны; θ_гл - заданный угол глиссады, Н₀ - высота подвеса первого излучающего элемента Δн₁, относительно поверхности Земли, примерно равная 1-2 м, нижние Δн_n и верхние Δв_n излучающие элементы разностного канала с номером n расположены симметрично относительно излучающего элемента ∑_n суммарного канала на расстоянии ±d относительно упомянутого элемента, причем амплитуды токов в излучающих элементах разностного канала Δн_n и Δв_n равны друг другу, амплитуды токов в излучающих элементах разностного канала пропорциональны токам в излучающих элементах суммарного канала с некоторым коэффициентом, одинаковым для всех троек излучателей, амплитуды токов в излучателях суммарного канала выбираются из условия обеспечения зоны глиссады и ослабления уровня излучения радиоволн в направлении складок рельефа местности в зоне захода самолетов на посадку.

В другом варианте глиссадный радиомаяк, содержащий устройство формирования сигналов суммарного канала, устройство формирования сигналов разностного канала, эквидистантную антенную решетку, дополнительно содержит первый делитель мощности с одним входом и N выходами, второй делитель мощности с одним входом и N выходами, где N - целое число, большее или равное трем, N делителей мощности на два направления с одним входом и двумя выходами каждый, N фазовращателей суммарного канала, N фазовращателей разностного канала, N сумматоров сигналов суммарного и разностного каналов с первым и вторым входами и одним выходом каждый, N-2 сумматоров сигналов разностного канала с двумя входами и одним выходом каждый, эквидистантная антенная решетка состоит из N внутренних излучающих элементов, внешнего нижнего излучающего элемента, внешнего верхнего излучающего элемента, причем внутренние элементы ∑_n антенной решетки возбуждаются сигналами суммарного канала, внутренние и внешний нижний и внешний верхний излучающие элементы возбуждаются сигналами разностного канала; каждому излучающему элементу ∑_n соотнесен один верхний Δв_n и один нижний Δн_n излучающий элемент с образованием упорядоченного семейства N троек излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n), в котором в каждой тройке нижние и верхние излучающие элементы, возбуждаемые сигналами разностного канала, имеют тот же номер n, что и номер излучающего элемента ∑_n, возбуждаемого сигналами суммарного канала; излучающие элементы ∑_n расположены последовательно друг над другом на высотах Н_n в порядке возрастания номера n излучающего элемента от 1 до N, причем высота H₁ первого излучающего элемента ∑₁ равна:

H₁=d+H₀,

где: ,

d - период антенной решетки, λ - длина волны; θ_гл - заданный угол глиссады, H₀ - высота подвеса нижнего внешнего излучающего элемента антенной решетки относительно поверхности Земли, примерно равная 1 м; нижние Δн_n и верхние Δв_n излучающие элементы с номером n, возбуждаемые сигналами разностного канала, расположены симметрично относительно n-го излучающего элемента ∑_n на расстоянии d относительно упомянутого элемента; при этом выход n-го сумматора сигналов суммарного и разностного каналов соединен с n-м внутренним излучающим элементом ∑n, устройство формирования сигналов суммарного канала соединено с входом первого делителя мощности на N направлений, выходы которого соединены последовательно с фазовращателями суммарного канала и первыми входами сумматоров сигналов суммарного и разностного каналов; устройство формирования сигналов разностного канала соединено с входом второго делителя мощности на N направлений, выходы которого последовательно соединены с фазовращателями разностного канала и входами совпадающих по номерам делителей мощности на два направления; первый выход первого делителя мощности на два направления соединен с внешним нижним излучающим элементом Δн₁ антенной решетки, а второй выход последовательно соединен с первым входом первого сумматора сигналов разностного канала, вторым входом второго сумматора сигналов суммарного и разностного каналов; первый выход второго делителя мощности на два направления соединен последовательно со вторым входом первого сумматора сигналов суммарного и разностного каналов, а второй выход упомянутого делителя соединен последовательно с первым входом второго сумматора сигналов разностного канала, вторым входом третьего сумматора сигналов суммарного и разностного каналов; первый выход третьего и последующих делителей мощности на два направления последовательно соединен со вторым входом сумматора сигналов разностного канала, номер которого на две единицы меньше номера упомянутого делителя мощности, со вторым входом сумматора сигналов суммарного и разностного каналов с номером на одну единицу меньше, чем номер упомянутого делителя мощности на два направления, а второй выход упомянутых делителей мощности на два направления последовательно соединен с первым входом сумматора сигналов разностного канала с номером, равным номеру упомянутого делителя мощности на два направления, со вторым входом сумматора сигналов суммарного и разностного каналов с номером на одну единицу больше номера упомянутого делителя мощности; первый выход N-1 делителя мощности на два направления соединен последовательно со вторым входом N-3 сумматора сигналов разностного канала, со вторым входом N-2 сумматора сигналов суммарного и разностного каналов, а второй выход соединен со вторым входом N-го сумматора сигналов суммарного и разностного каналов; первый выход N-го делителя мощности на два направления соединен последовательно со вторым входом N-2 сумматора сигналов разностного канала, со вторым входом N-1 сумматора сигналов суммарного и разностного каналов, а второй выход соединен с внешним верхним излучающим элементом антенной решетки Δв_N: каждая тройка излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n) запитана синфазными токами, причем амплитуды токов в излучающих элементах Δн_n и Δв_n равны друг другу, амплитуды токов в излучающих элементах Δн_n и Δв_n пропорциональны амплитудам токов в излучающих элементах ∑_n; амплитуды токов в элементах, излучающих сигналы суммарного канала, выбираются из условия ослабления радиоволн в направлении складок местности в зоне захода самолетов на посадку.

Применение в другом варианте глиссадного радиомаяка дополнительно N сумматоров сигналов суммарного и разностного каналов с двумя входами и одним выходом каждый, N-2 сумматоров сигналов разностного канала с двумя входами и одним выходом каждый позволило сократить общее количество излучающих элементов в антенной решетке. Предложенное техническое решение обеспечивает за счет совмещения фазового центра антенной решетки излучающих элементов суммарного канала и фазового центра антенной решетки излучающих элементов разностного канала формирование зоны глиссады, не зависимой от уровня и свойств подстилающей поверхности, с уменьшенной величиной искривлений глиссады за счет снижения уровня облучения складок местности в зоне захода самолетов на посадку.

В другом варианте глиссадный радиомаяк, содержащий устройство формирования сигналов суммарного канала, устройство формирования сигналов разностного канала, четырехэлементную эквидистантную антенную решетку излучающих элементов, внешнего нижнего излучающнего элемента, внешнего верхнего излучающего элемента, дополнительно содержит первый делитель мощности с одним входом и двумя выходами, второй делитель мощности с одним входом и двумя выходами, два делителя мощности на два направления с одним входом и двумя выходами каждый, два фазовращателя суммарного канала, два фазовращателя разностного канала, два сумматора сигналов суммарного и разностного каналов с первым и вторым входами и одним выходом каждый, эквидистантная антенная решетка состоит из двух внутренних излучающих элементов, внешнего нижнего излучающнего элемента, внешнего верхнего излучающего элемента, причем внутренние элементы ∑_n, n=1, 2, антенной решетки возбуждаются сигналами суммарного канала, внутренние и внешний нижний и внешний верхний излучающие элементы возбуждаются сигналами разностного канала; каждому излучающему элементу ∑_n соотнесен один верхний Δв_n и один нижний Δн_n излучающий элемент с образованием упорядоченного семейства двух троек излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n), в котором в каждой тройке нижние и верхние излучающие элементы, возбуждаемые сигналами разностного канала, имеют тот же номер n, что и номер излучающего элемента ∑_n, возбуждаемого сигналами суммарного канала; излучающие элементы ∑_n расположены друг над другом на высотах Н_n, причем высота H₁ первого излучающего элемента ∑₁ равна:

H₁=d+H₀,

где: ,

d - период антенной решетки, λ - длина волны; θ_гл - заданный угол глиссады, Н₀ - высота подвеса нижнего внешнего излучающего элемента антенной решетки относительно поверхности Земли, примерно равная 1 м; нижние Δн_n и верхние Δв_n излучающие элементы с номером n, возбуждаемые сигналами разностного канала, расположены симметрично относительно n-го излучающего элемента ∑_n на расстоянии d относительно упомянутого элемента; при этом выход n-го сумматора сигналов суммарного и разностного каналов соединен с n-м внутренним излучающим элементом ∑_n, устройство формирования сигналов суммарного канала соединено с входом первого делителя мощности на два направления, выходы которого соединены последовательно с фазовращателями суммарного канала и первыми входами сумматоров сигналов суммарного и разностного каналов; устройство формирования сигналов разностного канала соединено с входом второго делителя мощности на два направления, выходы которого последовательно соединены с фазовращателями разностного канала и входами совпадающих по номерам делителей мощности на два направления; первый выход первого делителя мощности на два направления соединен с внешним нижним излучающим элементом Δн₁ антенной решетки, а второй выход соединен со вторым входом второго сумматора сигналов суммарного и разностного каналов; первый выход второго делителя мощности на два направления соединен со вторым входом первого сумматора сигналов суммарного и разностного каналов, а второй выход упомянутого делителя соединен с внешним верхним излучающим элементом антенной решетки: каждая тройка излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n) запитана синфазными токами, причем амплитуды токов в излучающих элементах Δн_n и Δв_n равны друг другу, амплитуды токов в излучающих элементах Δн_n и Δв_n пропорциональны амплитудам токов в излучающих элементах ∑_n; амплитуды токов в элементах, излучающих сигналы суммарного канала, выбираются из условия ослабления радиоволн в направлении складок местности в зоне захода самолетов на посадку. Решение этих и других задач поясняется далее текстом и чертежами.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема глиссадного радиомаяка в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 представлена структурная электрическая схема другого варианта глиссадного радиомаяка в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 показана полярная система координат с началом координат в точке О, расположенной на границе раздела сред воздух - подстилающая поверхность.

На фиг.4 представлена структурная электрическая схема глиссадного радиомаяка с двумя тройками антенн в соответствии с примерами реализации №1 и №2 настоящего изобретения.

На фиг.5 представлены диаграммы направленности в вертикальной плоскости антенн аналога - ГРМ с "нулевой решеткой"; пунктирной линией изображена диаграмма направленности для суммарного канала, штриховой линией - для разностного сигнала и сплошной линией - зависимость КРС от угла места.

На фиг.6 приведена расчетная диаграмма направленности рупорной антенны в плоскости вектора Н в свободном пространстве.

На фиг.7 представлены соответствующие примеру реализации №1 диаграммы направленности в вертикальной плоскости антенной решетки из 4-х рупорных антенн (пунктирная линия, разностный канал), диаграмма направленности антенной решетки из 2-х рупорных антенн (штриховая линия, суммарный канал), и зависимость КРС от угла места (сплошная линия). При этом нижний рупор расположен на высоте 1 м относительно подстилающей поверхности.

На фиг.8 приведены соответствующие примеру реализации №1 диаграммы направленности в вертикальной плоскости по суммарному (штриховая линия) и разностному (пунктирная линия) каналам в предельном случае, когда Н₀→0.

На фиг.9 приведена диаграмма направленности резонаторной антенны с частично прозрачной поверхностью с вертикальным раскрывом, равным 0,9 м.

На фиг.10 представлены соответствующие примеру реализации №2 диаграмма направленности антенной решетки из 4-х плоских резонаторных антенн (пунктирная линия), диаграмма направленности антенной решетки из 2-х плоских резонаторных антенн (штриховая), и зависимость РГМ от угла места (сплошная линия). При этом нижняя антенна расположена на высоте 1,5 м относительно поверхности Земли; угол наклона максимума диаграммы направленности относительно горизонта равен 12°, разность фаз токов в излучателях суммарного и разностного каналов равна 180°.

На фиг.11 представлены диаграмма направленности антенной решетки из 4-х плоских резонаторных антенн (пунктирная линия), диаграмма направленности антенной решетки из 2-х плоских резонаторных антенн (штриховая), и зависимость РГМ от угла места (сплошная линия) в предельном случае, когда в примере №2 реализации настоящего изобретения Н₀→0.

На фиг.12 представлены соответствующие примеру реализации №3 диаграмма направленности антенной решетки из 8-ми рупорных антенн (пунктирная линия), диаграмма направленности антенной решетки из 4-х рупорных антенн (штриховая), и зависимость РГМ от угла места (сплошная линия).

На фиг.13 представлены соответствующие примеру реализации №4 диаграмма направленности антенной решетки из 10-ти рупорных антенн (пунктирная линия), диаграмма направленности антенной решетки из 5-ти рупорных антенн (штриховая), и зависимость РГМ от угла места.

Осуществление изобретения

Обратимся к фиг.1, на которой представлена структурная электрическая схема глиссадного радиомаяка в соответствии с настоящим изобретением. Глиссадный радиомаяк содержит устройство 10 формирования сигналов суммарного канала, устройство 20 формирования сигналов разностного канала, антенную решетку 30, состоящую из N излучающих элементов ∑_n (301, 302, …, 30n, …, 30N) суммарного канала (здесь и далее N - целое число, большее или равное 2, n - порядковый номер устройства в однородной группе устройств: излучающих элементов антенной решетки, фазовращателей, делителей мощности на два направления; n≥1), антенную решетку 40 излучающих элементов разностного канала, состоящую из N нижних Δн_n (401, 403, …, 40(2n-1), …, 40(2N-1)) и N верхних Δв_n (402, 404, …, 40(2n), …, 40(2N)) излучающих элементов, первый делитель мощности 50 с одним входом и N выходами (501, 502, …, 50n, …, 50N), второй делитель мощности 60 с одним входом и N выходами (601, 602, …, 60n, …, 60N), N делителей мощности 70 (701, 702, …, 70n, …, 70N) на два направления с одним входом и первым и вторым выходами каждый, N фазовращателей суммарного канала 80 (801, 802, …, 80n, …, 80N), N фазовращателей разностного канала 90 (901, 902, …, 90n, …, 90N). Каждому излучающему элементу антенной решетки суммарного канала ∑_n соотнесен один верхний Δв_n и один нижний Δн_n излучающий элемент антенной решетки разностного канала с образованием упорядоченного семейства троек излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n); в каждой тройке нижние и верхние излучающие элементы антенной решетки разностного канала имеют тот же порядковый номер n, что и порядковый номер излучающего элемента антенной решетки суммарного канала. Излучающие элементы антенной решетки суммарного канала расположены последовательно друг над другом на высотах Н_n в порядке возрастания номера n излучающего элемента от 1 до N, причем высота H₁ первого излучающего элемента равна:

H₁=d+H₀,

где:

,

λ - длина волны; θ_гл - заданный угол глиссады,

H₀ - высота подвеса первого нижнего излучающего элемента антенной решетки разностного канала Δн₁ относительно поверхности Земли, примерно равная 1÷2 м для радиомаяков дециметрового диапазона волн, 1÷4 м для радиомаяков метрового диапазона волн.

Нижние Δн_n и верхние Δв_n излучающие элементы антенной решетки разностного канала с одним и тем же номером n расположены симметрично относительно излучающего элемента ∑_n антенной решетки суммарного канала на расстоянии ±d относительно упомянутого элемента ∑_n.

Перечисленные устройства: устройство 10 формирования сигналов разностного канала, устройство 20 формирования сигналов суммарного канала, делители мощности 70 на два направления - выполнены так, как они выполнены в серийных радиомаяках метрового диапазона волн СП-90, выпускаемых Челябинским радиозаводом "Полет" и эксплуатируемых на аэродромах гражданской авиации, или как в серийных радиомаяках дециметрового диапазона волн ПРМГ-76У, эксплуатируемых на аэродромах военной авиации. Делители мощности 50 и 60 на N направлений могут быть выполнены на основе радиальной линии передачи или в полосковом исполнении и рассчитаны по формулам из известных справочников. В качестве излучающих элементов 301…30N, 401…40(2N) в антенных решетках 30 и 40 в ГРМ дециметрового диапазона могут быть применены антенны типа Уда-Яги, рупорные антенны, входящие в состав стационарного радиомаяка ПРМГ-6, либо антенны с более узкими диаграммами направленности в вертикальной плоскости, например резонаторные антенны с частично прозрачной поверхностью. В ГРМ метрового диапазона в качестве излучающих элементов 301…30N, 401…40(2N) могут быть использованы антенны в виде горизонтальной линейной решетки дипольных излучателей с общим рефлектором либо резонаторные антенны с частично прозрачной поверхностью.

Указанные устройства соединены между собой следующим образом. Устройство формирования сигналов суммарного канала 10 соединено с входом первого делителя мощности 50 на N направлений, выходы которого 501, 502, …, 50N последовательно соединены с имеющими такие же порядковые номера фазовращателями суммарного канала 801, 802, …, 80N и излучающими элементами ∑_n 301, 302, …, 30N антенной решетки 30 суммарного канала. Устройство формирования сигналов разностного канала 20 соединено с входом второго делителя мощности 60 на N направлений, выходы которого 601, 602, …, 60N соединены последовательно с имеющими такие же порядковые номера фазовращателями разностного канала 901, 902, …, 90N и входами делителей мощности 701, 702, …, 70N на два направления, первый выход каждого упомянутого делителя соединен с соответствующим нижним излучающим элементом 401, 403, …, 40(2N-1), а каждый второй выход соединен с соответствующим верхним излучающим элементом 402, 404, …, 40(2N) разностного канала.

Каждая тройка излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n) запитана синфазными токами, причем амплитуды токов в излучающих элементах разностного канала Δн_n и Δв_n равны друг другу, комплексные амплитуды (далее по тексту - амплитуды) токов в излучающих элементах разностного канала пропорциональны амплитудам токов в излучающих элементах суммарного канала; амплитуды токов в излучающих элементах суммарного канала выбираются из условия ослабления радиоволн в направлении складок местности в зоне захода самолетов на посадку.

Обратимся теперь к фиг.2, на которой представлен другой вариант глиссадного радиомаяка для обеспечения инструментального захода самолетов на посадку на аэродромы с высоким уровнем снежного покрова и складками местности в зоне захода самолетов на посадку, вызывающими интерференцию радиоволн в области глиссады. ГРМ содержит устройство формирования сигналов суммарного канала 10, устройство формирования сигналов разностного канала 20, эквидистантную антенную решетку излучающих элементов 30, 40, дополнительно содержит первый делитель мощности 50 с одним входом и N выходами, второй делитель мощности 60 с одним входом и N выходами, где N - целое число, большее или равное трем, N делителей мощности на два направления 70 с одним входом и двумя выходами каждый, N фазовращателей 80 суммарного канала, N фазовращателей 90 разностного канала, N сумматоров сигналов суммарного и разностного каналов 100 с первым и вторым входами и одним выходом каждый, N-2 сумматоров сигналов разностного канала 110 с двумя входами и одним выходом каждый, эквидистантная антенная решетка 30, 40 состоит из N внутренних излучающих элементов ∑_n 301…30N, внешнего нижнего излучающего элемента 401, внешнего верхнего излучающего элемента 40(2N), причем внутренние элементы ∑_n антенной решетки возбуждаются сигналами суммарного канала, внутренние ∑_n 301…30N и внешний нижний 401 и внешний верхний 40(2N) излучающие элементы возбуждаются сигналами разностного канала; каждому излучающему элементу ∑_n соотнесен один верхний Δв_n и один нижний Δн_n излучающий элемент с образованием упорядоченного семейства N троек излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n), в котором в каждой тройке нижние и верхние излучающие элементы, возбуждаемые сигналами разностного канала, имеют тот же номер n, что и номер излучающего элемента ∑_n, возбуждаемого сигналами суммарного канала; излучающие элементы ∑_n расположены последовательно друг над другом на высотах Н_n в порядке возрастания номера n излучающего элемента от 1 до N, причем высота H₁ первого излучающего элемента ∑₁ равна:

H₁=d+H₀,

где: ,

d - период антенной решетки, λ - длина волны; θ_гл - заданный угол глиссады, H₀ - высота подвеса нижнего внешнего излучающего элемента антенной решетки относительно поверхности Земли, примерно равная 1 м; нижние Δн_n и верхние Δв_n излучающие элементы с номером n, возбуждаемые сигналами разностного канала, расположены симметрично относительно n-го излучающего элемента ∑_n на расстоянии d относительно упомянутого элемента; при этом выход n-го сумматора сигналов суммарного и разностного каналов 100n соединен с n-м внутренним излучающим элементом ∑_n, устройство формирования сигналов суммарного канала 10 соединено с входом первого делителя мощности на N направлений, выходы которого соединены последовательно с фазовращателями 80 суммарного канала и первыми входами сумматоров 100 сигналов суммарного и разностного каналов; устройство формирования сигналов разностного канала 20 соединено с входом второго делителя мощности 60 на N направлений, выходы которого последовательно соединены с фазовращателями разностного канала 90 и входами совпадающих по номерам делителей мощности на два направления 110; первый выход первого делителя мощности на два направления 701 соединен с внешним нижним излучающим элементом 401 эквидистантной антенной решетки, а второй выход последовательно соединен с первым входом первого сумматора сигналов разностного канала 1101, вторым входом второго сумматора сигналов суммарного и разностного каналов 1002; первый выход второго делителя мощности на два направления 702 соединен последовательно со вторым входом первого сумматора сигналов суммарного и разностного каналов 1001, а второй выход упомянутого делителя соединен последовательно с первым входом второго сумматора сигналов разностного канала 1102, вторым входом третьего сумматора сигналов суммарного и разностного каналов 1003; первый выход третьего 703 и последующих делителей мощности на два направления последовательно соединен со вторым входом сумматора сигналов разностного канала, номер которого на две единицы меньше номера упомянутого делителя мощности, со вторым входом сумматора сигналов суммарного и разностного каналов с номером на одну единицу меньше, чем номер упомянутого делителя мощности на два направления, а второй выход упомянутых делителей мощности на два направления последовательно соединен с первым входом сумматора сигналов разностного канала с номером, равным номеру упомянутого делителя мощности на два направления, со вторым входом сумматора сигналов суммарного и разностного каналов с номером на одну единицу больше номера упомянутого делителя мощности; первый выход 70(N-1) делителя мощности на два направления соединен последовательно со вторым входом 110(N-3) сумматора сигналов разностного канала, со вторым входом 100(N-2) сумматора сигналов суммарного и разностного каналов, а второй выход соединен со вторым входом 100N-го сумматора сигналов суммарного и разностного каналов; первый выход 70N-го делителя мощности на два направления соединен последовательно со вторым входом 110(N-2) сумматора сигналов разностного канала, со вторым входом 100(N-1) сумматора сигналов суммарного и разностного каналов, а второй выход соединен с внешним верхним излучающим элементом антенной решетки Δв_N: 40(2N): каждая тройка излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n) запитана синфазными токами, причем амплитуды токов в излучающих элементах Δн_n и Δв_n равны друг другу, амплитуды токов в излучающих элементах Δн_n и Δв_n пропорциональны амплитудам токов в излучающих элементах ∑_n; амплитуды токов в элементах, излучающих сигналы суммарного канала, выбираются из условия ослабления радиоволн в направлении складок местности в зоне захода самолетов на посадку.

Для удобства описания устройства и работы данного варианта ГРМ, а также представленного ниже другого варианта ГРМ по настоящему изобретению, будем условно предполагать, что существует две антенные решетки излучающих элементов: антенная решетка суммарного канала и антенная решетка разностного канала. В состав решетки суммарного канала условно включены внутренние излучающие элементы. В состав решетки разностного канала условно включены внутренние излучающие элементы, нижний внешний излучающий элемент и верхний внешний излучающий элемент.

На фиг.2 элементы эквидистантной антенной решетки, излучающие одновременно сигналы суммарного и разностного каналов, обозначены треугольниками, одна половинка которых окрашена в черный цвет, а вторая половинка - в белый. Рядом с треугольником приведены номера излучающих элементов в соответствующих антенных решетках. Черный цвет означает условно принадлежность данного элемента к антенной решетке излучающих элементов суммарного канала. Белый цвет означает условно принадлежность данного элемента к антенной решетке излучающих элементов разностного канала.

Другой вариант глиссадного радиомаяка для обеспечения инструментального захода самолетов на посадку на аэродромы с высоким уровнем снежного покрова и складками местности в зоне захода самолетов на посадку, вызывающими интерференцию радиоволн в области глиссады, содержит устройство формирования сигналов суммарного канала, устройство формирования сигналов разностного канала, эквидистантную антенную решетку, дополнительно содержит первый делитель мощности с одним входом и двумя выходами, второй делитель мощности с одним входом и двумя выходами, два делителя мощности на два направления с одним входом и двумя выходами каждый, два фазовращателя суммарного канала, два фазовращателя разностного канала, два сумматора сигналов суммарного и разностного каналов с первым и вторым входами и одним выходом каждый, антенная решетка состоит из двух внутренних излучающих элементов, внешнего нижнего излучающнего элемента, внешнего верхнего излучающего элемента, причем внутренние элементы ∑_n, n=1, 2, антенной решетки возбуждаются сигналами суммарного канала, внутренние и внешний нижний и внешний верхний излучающие элементы возбуждаются сигналами разностного канала; при этом каждому излучающему элементу ∑_n соотнесен один верхний Δв_n и один нижний Δн_n излучающий элемент с образованием упорядоченного семейства двух троек излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n), в котором в каждой тройке нижние и верхние излучающие элементы, возбуждаемые сигналами разностного канала, имеют тот же номер n, что и номер излучающего элемента ∑_n, возбуждаемого сигналами суммарного канала; излучающие элементы ∑_n расположены друг над другом на высотах Н_n, причем высота H₁ первого излучающего элемента ∑₁ равна:

H₁=d+H₀,

где: ,

d - период антенной решетки, λ - длина волны; θ_гл - заданный угол глиссады, H₀ - высота подвеса нижнего внешнего излучающего элемента антенной решетки относительно поверхности Земли, примерно равная 1 м; нижние Δн_n и верхние Δв_n излучающие элементы с номером n, возбуждаемые сигналами разностного канала, расположены симметрично относительно n-го излучающего элемента Е_n на расстоянии d относительно упомянутого элемента; этом выход n-го сумматора сигналов суммарного и разностного каналов соединен с n-м внутренним излучающим элементом ∑_n, устройство формирования сигналов суммарного канала соединено с входом первого делителя мощности на два направления, выходы которого соединены последовательно с фазовращателями суммарного канала и первыми входами сумматоров сигналов суммарного и разностного каналов; устройство формирования сигналов разностного канала соединено с входом второго делителя мощности на два направления, выходы которого последовательно соединены с фазовращателями разностного канала и входами совпадающих по номерам делителей мощности на два направления; первый выход первого делителя мощности на два направления соединен с внешним нижним излучающим элементом Δн₁ антенной решетки, а второй выход соединен со вторым входом второго сумматора сигналов суммарного и разностного каналов; первый выход второго делителя мощности на два направления соединен со вторым входом первого сумматора сигналов суммарного и разностного каналов, а второй выход упомянутого делителя соединен с внешним верхним излучающим элементом антенной решетки: каждая тройка излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n) запитана синфазными токами, причем амплитуды токов в излучающих элементах Δн_n и Δв_n равны друг другу, амплитуды токов в излучающих элементах Δн_n и Δв_n пропорциональны амплитудам токов в излучающих элементах ∑_n; амплитуды токов в элементах, излучающих сигналы суммарного канала, выбираются из условия ослабления радиоволн в направлении складок местности в зоне захода самолетов на посадку.

Другие варианты ГРМ. Очевидно, что данное изобретение допускает большое количество модификаций глиссадного радиомаяка: от модификацим ГРМ, использующей две тройки излучающих элементов, до ГРМ, использующих семь и более троек излучающих элементов. В качестве излучающих элементов антенных решеток суммарного и разностного каналов могут использоваться, кроме упомянутых рупорной и плоской резонаторной антенн, антенны других типов: антенны Уда-Яги, антенны типа "Сыр", линейные или плоские антенные решетки вибраторов с общим рефлектором и другие антенны. Причем в разных тройках в первом варианте ГРМ в качестве излучающих элементов могут применяться разные типы антенн.

Глиссадный радиомаяк работает следующим образом. Сигналы суммарного канала с устройства 10 (фиг.1) с помощью делителя мощности 50 делятся на N частей и через фазовращатели 801, 802, …, 80N направляются на излучающие элементы 301, 302, …, 30N антенной решетки 30 суммарного канала, которыми излучаются в пространство.

Сигналы разностного канала с устройства 20 с помощью делителя мощности 60 делятся на N частей и направляются через соответствующие фазовращатели 901, 902, …, 90N на делители мощности 70 на два направления, с первого выхода которых сигналы поступают на нижние излучающие элементы 401, 403, …, 40(2N-1) антенной решетки 40. Со второго выхода упомянутых делителей сигналы поступают на верхние излучающие элементы 402, 404, …, 40(2N). Нижние и верхние элементы 401, …, 40(2N) излучают сигналы разностного канала в пространство.

Представленная блок-схема ГРМ обеспечивает формирование на выходах излучающих элементов амплитудно-фазовое распределение для сигналов разностного и суммарного каналов в соответствии с нижеприведенными таблицами 1-4.

Табл.1 Первая тройка излучающих элементов Обозначение и номер излучающего элемента Амплитуда Фаза Δн₁ ψ₁ Σ₁ ψ₁ Δв₁ ψ₁

Табл.2 Вторая тройка излучающих элементов Обозначение и номер излучающего элемента Амплитуда Фаза Δн₂ ψ₂ Σ₂ ψ₂ Δв₂ ψ₂

Табл.3 n-я тройка излучающих элементов Обозначение и номер излучающего элемента Амплитуда Фаза Δн_n ψ_n Σ_n ψ_n Δв_n ψ_n

Табл.4 N-я тройка антенн Обозначение и номер излучающего элемента Амплитуда Фаза Δн_N ψ_N Σ_N ψ_N Δв_N ψ_N

Амплитуды токов a_n в излучающих элементах суммарного канала задаются с помощью делителя мощности 50, фазы токов ψ_n задаются с помощью фазовращателей 80. Амплитуды токов в_n в излучающих элементах разностного канала задаются с помощью делителя мощности 60, фазы токов ψ_n задаются с помощью фазовращателей 90. В каждой тройке излучающие элементы (30n, 40(2n-1), 40(2n)) запитаны синфазными токами, причем амплитуды токов в излучающих элементах разностного канала Δн_n и Δв_n равны друг другу.

При этом при выполнении нижеследующих условий обеспечивается независимость параметров глиссады (угла глиссады и крутизны зоны глиссады) от высот подвеса излучающих элементов антенных решеток.

1. Каждому излучающему элементу антенной решетки суммарного канала ∑_n соотнесены два излучающих элемента антенной решетки разностного канала: Δн_n и Δв_n, причем последние должны быть расположены на равном расстоянии ±d от излучающего элемента антенной решетки суммарного канала. В тройке излучающих элементов (∑_n, Δн_n, Δв_n) элемент Δн_n расположен ниже элемента ∑_n (на расстоянии -d), а элемент Δв_n - выше элемента ∑_n (на расстоянии +d).

2. Диаграммы направленности F_∑n(θ), F_Δn(θ) n-х излучающих элементов антенной решетки суммарного и разностного каналов в свободном пространстве в каждой указанной выше n-й тройке элементов одинаковы.

3. Начальные фазы токов в элементах в каждой тройке элементов должны быть равны друг другу (φ_n=ψ_n). Амплитуды токов b_n в нижнем Δн_n элементе и в верхнем Δв_n элементе в каждой тройке элементов равны друг другу.

4. Амплитуды токов в_n в излучающих элементах Δн_n, Δв_n антенной решетки разностного канала пропорциональны амплитудам a_n токов в элементах ∑_n суммарного канала с одним и тем же коэффициентом α/2, определяющим крутизну зоны глиссады.

5. Расстояние d между соседними антеннами в п.1 определяется, исходя из условия обеспечения заданного угла глиссады θ₀, т.е. из условия равенства нулю информационного параметра (РГМ в радиомаяках метрового диапазона волн или КРС в радиомаяках дециметрового диапазона волн) нулю:

cos(kd sinθ_гл)=0.

Отсюда следует, что

.

Покажем, что при выполнении перечисленных условий 1-4 зона глиссады остается неизменной, несмотря на изменение высот подвеса излучателей вследствие выпадения снега или таяния снега либо изменения отражающих свойств подстилающей поверхности. С этой целью рассмотрим работу ГРМ с учетом влияния подстилающей поверхности Земли.

Поставим своей задачей определить требования к антенным решеткам для излучения суммарного и разностного сигналов глиссадного радиомаяка, при которых зона глиссады не зависела бы от уровня снежного покрова и отражающих свойств подстилающей поверхности (т.е. от высоты подвеса излучающих элементов антенных решеток относительно подстилающей поверхности и коэффициента Френеля отражения электромагнитных волн от границы раздела сред воздух - подстилающая поверхность (земля, вода или снег)).

Введем в рассмотрение полярную систему координат с началом координат в точке О, расположенной на границе раздела сред воздух - подстилающая поверхность (фиг.3). Полярный угол θ будем отсчитывать от плоскости, касательной к подстилающей поверхности в точке расположения антенной системы, против хода часовой стрелки.

Выше были введены обозначения:

∑_n - n-й излучающий элемент антенной решетки суммарного канала;

n=1, 2, …, N;

H_n - высота подвеса n-го излучающего элемента антенной решетки суммарного канала относительно поверхности Земли, n=1, 2, …, N;

Δн_n (Δв_n) - n-й нижний (n-й верхний) излучающий элемент антенной решетки разностного канала; n=1, …, N;

d - расстояние от излучающего элемента ∑_n антенной решетки суммарного канала до нижнего (верхнего) излучающего элемента Δн_n(Δв_n) в антенной решетке разностного канала;

a_n(ψ_n) - амплитуда (фаза) тока в n-м излучающем элементе антенной решетки суммарного канала;

b_n(φ_n) - амплитуда (фаза) тока в n-м нижнем и верхнем излучающих элементах антенной решетки разностного канала.

Введем дополнительно следующие обозначения:

; κ - волновое число;

λ - длина волны в свободном пространстве;

F_∑n(θ), [F_Δn(θ)] - диаграмма направленности n-го излучающего элемента антенной решетки суммарного канала [верхнего и нижнего элемента разностного канала] в свободном пространстве;

F^Δ(θ, H) - диаграмма направленности антенной решетки для разностного сигнала с учетом влияния подстилающей поверхности;

F^∑(θ, H) - диаграмма направленности антенной решетки для суммарного сигнала с учетом влияния подстилающей поверхности;

- комплексный коэффициент Френеля отражения плоской волны от плоской подстилающей поверхности;

РГМ - разность глубин модуляции;

КРС - коэффициент разнослышимости сигналов.

Рассмотрим диаграммы направленности антенных решеток суммарного F^∑(θ, H) и разностного каналов F^Δ(θ, H) в дальней зоне, т.е. на расстояниях, когда лучи от антенн и их зеркальных отображений могут считаться параллельными.

Пусть на вход антенной решетки суммарного (разностного) канала поступает мощность Р_∑(Р_Δ):

где R - входное сопротивление антенны, которое для простоты изложения будем полагать вещественным и равным для всех излучающих элементов.

И пусть

Тогда диаграммы направленности F^∑(θ, Н) и F^Δ(θ, H) с учетом влияния подстилающей поверхности описываются соотношениями (4) и (5):

В правой части (5) в первой сумме первое и второе слагаемые с индексом n (относящиеся к первому нижнему Δн_n и первому верхнему Δв_n излучающим элементам) имеют общий множитель:

а во второй сумме первое и второе слагаемые с индексом n имеют общий множитель:

Сгруппируем соседние слагаемые в (5), относящиеся к нижнему и верхнему излучающим элементам с номером n (n=1, 2,…, N), выделим в образовавшихся парах слагаемых множитель exp(-ikdsinθ)+exp(ikdsinθ). Тогда (5) можем представить в виде произведения двух множителей:

Первый множитель в (8) равен:

Разность глубин модуляции (РГМ) определяется отношением разностного сигнала к суммарному сигналу:

Или

В идеальном случае величина РГМ определяется соотношением

где α - постоянное число, определяющее крутизну зоны глиссады.

Для обеспечения тождественного равенства между собой правых частей уравнений (11) и (12) достаточно потребовать равенств:

Информационный параметр КРС - коэффициент разнослышимости сигналов - в системах посадки дециметрового диапазона волн определяется соотношением

где β - постоянный коэффициент, определяющий крутизну зоны глиссады. При синфазности суммарного и разностного сигналов на входе антенных решеток, что выполняется процедурой фазирования в радиомаяке с помощью фазовращателей (не указанных на чертежах), формула (14) становится аналогичной формуле (9). Поэтому все выводы, вытекающие из представленного анализа для ГРМ метрового диапазона, справедливы и для радиомаяков дециметрового диапазона волн.

Вследствие интерференции радиоволн, излучаемых непосредственно антенными решетками, и радиоволн, отраженных от подстилающей поверхности, в характеристиках направленности антенных решеток для суммарного F^∑(θ, H) и разностного F^Δ(θ, H) сигналов появляются дополнительные (интерференционные) минимумы и максимумы. Однако поскольку фазовые центры антенных решеток суммарного и разностного сигналов совпадают, то положения этих дополнительных минимумов и максимумов также совпадают и не приводят к искажению зависимости информационного параметра (РГМ или КРС) от угла места.

Для того чтобы дополнительные минимумы не приводили к уменьшению дальности действия радиомаяков из-за снижения напряженности электромагнитного поля в направлении углов минимума, необходимо обеспечить соответствующее амплитудно-фазовое распределение токов в излучающих элементах антенной решетки суммарного (разностного) канала и (или) в качестве излучающих элементов использовать направленные в вертикальной плоскости антенны. При этом максимум диаграммы направленности антенн, используемых в качестве излучающих элементов решеток, должен быть направлен под некоторым углом относительно горизонта. Предпочтительно чтобы максимум был бы направлен под таким углом, при котором уровень в диаграмме направленности в направлении горизонта был бы равен 0,7.

Примеры

Были проведены численные исследования влияния изменения высоты подвеса излучающих элементов на характеристики ГРМ в соответствии с настоящим изобретением. Было предположено, что рабочая частота равна 953 МГц (λ=0,315 м). Угол глиссады θ₀=3°. При θ₀=3° на частоте 953 МГц расстояние между излучающим элементом антенной решетки суммарного канала и нижним (верхним) излучающим элементом разностного канала равно .

Во всех нижеприведенных примерах предполагалось, что на вход антенной решетки суммарного канала поступает мощность равной величины. При этом нормированная диаграмма направленности для сигналов суммарного канала имеет вид:

Нормированная диаграмма направленности для сигналов разностного канала:

Диаграммы направленности "нулевой" решетки приведены на фиг.5.

Пример реализации №1

В примере №1 ГРМ содержит (фиг.4) устройство 10 формирования сигналов суммарного канала, устройство 20 формирования сигналов разностного канала, антенную решетку 30, состоящую из 2-х излучающих элементов ∑_n (301, 302) суммарного канала, антенную решетку 40 излучающих элементов разностного канала, состоящую из 2 нижних Δн_n (401, 403) и 2 верхних Δв_n (402, 404) излучающих элементов, первый делитель мощности 50 с одним входом и двумя выходами (501, 502), второй делитель мощности 60 с одним входом и двумя выходами (601, 602), 2 делителя мощности 70 (701, 702) с одним входом и двумя выходами каждый, 2 фазовращателя суммарного канала 80 (801, 802), 2 фазовращателя разностного канала 90 (901, 902). Каждому излучающему элементу суммарного канала ∑_n соотнесен один верхний Δв_n и один нижний Δн_n элемент разностного канала с образованием двух троек излучающих элементов: (∑₁, Δв₁, Δн₁) и (∑₂, Δв₂, Δн₂). Излучающие элементы антенной решетки суммарного канала расположены последовательно друг над другом на высотах H₁ и Н₂, причем высота Н₁ первой антенны равна:

H₁=d+H₀,

где:

,

λ - длина рабочей волны;

θ_гл - заданный угол глиссады,

Н₀ - высота подвеса первой нижней антенны Δн₁ относительно поверхности Земли, принятая равной 1,5 м.

Нижние Δн_n и верхние Δв_n излучающие элементы разностного канала с номерами n=1 и n=2 расположены симметрично соответственно относительно излучающих элементов ∑₁ и ∑₂ суммарного канала на расстоянии d относительно упомянутых элементов. В качестве излучающих элементов применены серийные рупорные антенны с вертикальным размером раскрыва, равным 0,28 м. Расчетная диаграмма направленности рупорной антенны в свободном пространстве приведена в виде графика на фиг.6.

В табл.5, 6 приведены нормированные амплитуды и фазы токов относительно амплитуд и фаз токов в излучающих элементах первой тройки излучателей.

Табл.5 Первая тройка излучающих элементов Обозначение и номер излучающего элемента Высота подвеса излучающих элементов антенной решетки относительно подстилающей поверхности Нормированная амплитуда Фаза Δн₁ Н_н=Н₀=Н₁-d=1,5 м b₁=1 ψ₁=0 Σ₁ H₁=3 м а₁=1 ψ₁=0 Δв₁ H_в=Н₁+d=(3+1,5) м = 4,5 м b₁=1 ψ₁=0

Табл.6 Вторая тройка излучающих элементов, установленных на расстоянии 1,2 м от первой тройки элементов Обозначение и номер излучающего элемента Высота подвеса излучающих элементов антенной решетки относительно подстилающей поверхности Амплитуда Фаза Δн₂ H_2н=H₂-d=4,2-1,5=2,7 м b₂=1 ψ₂=90° Σ₂ Н₂=Н₁+1,2 м=(3,0+1,2) м = 4,2 м а₂=1 ψ₂=90° Δв₂ H_в=H₂+d=(4,2+1,5) м = 5,7 м b₂=1 ψ₂=90°

На фиг.7 представлены диаграмма направленности антенной решетки из 4-х рупорных антенн (пунктирная линия), диаграмма направленности антенной решетки из 2-х рупорных антенн (штриховая линия), и зависимость РГМ от угла места (сплошная линия). При этом самая нижняя антенна расположена на высоте 1,5 м.

Как видно из графиков на фиг.7, угол глиссады равен 3°. Уровень в диаграмме направленности для суммарного канала в пределах зоны глиссады (0°54'÷4°35') имеет значения, большие 1, что свидетельствует о том, что дальность действия ГРМ обеспечивается с запасом.

С появлением снежного покрова высота Н₀ будет уменьшаться на величину, равную высоте снежного покрова. С изменением плотности и влажности снега будет изменяться коэффициент Френеля отражения электромагнитных волн от подстилающей поверхности. Вследствие этого будет изменяться форма диаграммы направленности антенной решетки. При этом с уменьшением высоты Н₀ уровень сигналов в минимумах будет увеличиваться. В предельном случае, когда Н₀→0, диаграммы направленности примут вид, указанный на фиг.8.

Закон зависимости КРС от угла θ не изменяется при изменении Н₀ - высоты подвеса нижней антенны (а следовательно, и других антенн). При Н₀=1 м, при Н₀→0, а также при любом другом значении Н₀, КРС изменяется от угла места θ по косинусоидальному закону.

Данный вариант ГРМ дециметрового диапазона волн целесообразно использовать на аэродромах, расположенных в местности с высотой снежного покрова до 130 см, без возвышающихся складок рельефа местности в зоне захода самолетов на посадку.

Пример реализации №2

Пример реализации №2 отличается от примера реализации №1 иным амплитудно-фазовым распределением токов в излучающих элементах антенной решетки, а также антенной, используемой в качестве излучающего элемента, и высотой подвеса излучающих элементов относительно подстилающей поверхности. В примере №2 амплитуды токов в излучателях, образующих вторую тройку, в два раза меньше, чем амплитуды токов в соответствующих излучателях первой тройки излучателей. Фазы токов в излучателях, образующих вторую тройку, отличаются на 180° от фаз токов соответствующих излучателей первой тройки излучателей. Высота подвеса первой нижней антенны равна 1,5 м. В качестве излучающего элемента антенных решеток суммарного и разностного каналов применена плоская резонаторная антенна с раскрывом, равным 0,9 м. Диаграмма направленности плоской резонаторной антенны приведена на фиг.9. Принцип работы упомянутой антенны и примеры реализации резонаторной антенны в диапазоне частот 2,4 ГГц приведены в заявке на патент РФ на изобретение №2007137544/09 (041063) "Плоская резонаторная антенна" авторов Войтовича Н.И и др., а также в статье: Войтович Н.И., Бухарин В.А., Репин Н.Н. Плоская резонаторная антенна. Сборник трудов Второй Всероссийской НТК "Радиовысотометрия-2007". Каменск-Уральский. - Екатеринбург: ИД "Третья столица". - 2007. - Стр.160-164.

Как видно из сопоставления графиков на фиг.6 и фиг.9, резонаторная антенна имеет более узкую диаграмму направленности по сравнению с рупорной антенной. За счет механического поворота антенны максимум ее диаграммы направленности отклонен на угол 12° относительно горизонта. В результате уровень диаграммы направленности антенны в направлении на горизонт (полярный угол θ=0°) равен 0,7.

Исходные данные для троек излучающих элементов приведены в табл.7 и табл.8.

Табл.7 Первая тройка излучающих элементов Обозначение и номер излучающего элемента Высота подвеса излучающих элементов антенной решетки относительно подстилающей поверхности Нормированная амплитуда Фаза Δн₁ Н_н=Н₁-d=1,5 м b₁=1 ψ₁=0 Σ₁ H₁=3 м а₁=1 ψ₁=0 Δв₁ H_в=H₀+d=(3+1,5) м = 4,5 м b₁=l ψ₁=0

Табл.8 Вторая тройка излучающих элементов, установленных на расстоянии d+3λ от первой тройки Обозначение и номер излучающего элемента Высота подвеса излучающих элементов антенной решетки относительно подстилающей поверхности Амплитуда Фаза Δн₂ H_2н=H₀+d+3λ=1,5+1,505+3·0,315=3,95 (м) b₁=0,5 ψ₂=180° Σ₂ Н₂=Н₁+d+3λ=3+1,5+3·0,315=5,455 (м) a₁=0,5 ψ₂=180° Δв₂ H_в=Н₂+d+3λ=5,455+1,5+3·0,315=7,96 (м) b₁=0,5 ψ₂=180°

На фиг.10 представлены ненормированные диаграмма направленности антенной решетки из 4-х резонаторных антенн (пунктирная линия), предназначенной для излучения сигналов разностного канала, диаграмма направленности антенной решетки из 2-х резонаторных антенн (штриховая), предназначенной для излучения сигналов суммарного канала, и зависимость РГМ от угла места (сплошная линия). При этом предполагалось, что высота Н₀ подвеса самой нижней антенны разностного канала относительно поверхности Земли равна 1,5 м. Подстилающая поверхность представляет собой идеально проводящую плоскость и, следовательно, коэффициент отражения Френеля .

Максимальные значения в диаграмме направленности для сигналов разностного и суммарного каналов не равны 1. Объясняется это применением в антенных решетках соответственно 4-х и 2-х излучающих элементов. Диаграмма направленности для сигналов разностного канала принимает нулевое значение при θ=3°. Нулевому значению в диаграмме направленности для разностного канала (при не равном нулю значению в диаграмме направленности для сигнала суммарного канала) соответствует нулевое значение КРС при θ=3°. Углу θ=3° соответствует положение глиссады. График зависимости информационного параметра ГРМ (КРС) от угла места описывается косинусоидальной функцией, принимающей максимальные по абсолютной величине значения при θ=0° и при удвоенном значении угла глиссады θ=6°.

Уровень в диаграмме направленности для суммарного канала в зоне глиссады имеет значения, большие 1, что свидетельствует о том, что дальность действия ГРМ обеспечивается с запасом.

Как видно из рассмотрения графиков на фиг.10, в зоне глиссады (0,3 θ_гл÷1, …θ_гл) имеется интерференционный минимум при θ₁=4°. Однако уровень сигналов в этом минимуме таков, что обеспечивается заданная дальность действия радиомаяка под указанным углом места.

С появлением снежного покрова высота Н₀ будет уменьшаться на величину, равную высоте снежно покрова. В результате будет изменяться и форма диаграммы направленности антенной решетки таким образом, что уровень сигналов в минимуме будет увеличиваться. В предельном случае, когда Н₀→0, диаграммы направленности примут вид, приведенный на фиг.11.

Закон зависимости РГМ от угла θ не изменяется при изменении Н₀ - высоты подвеса нижней антенны. При Н₀=1 м, при Н₀→0 и при любом другом значении Н₀ РГМ изменяется от угла θ по косинусоидальному закону.

Данный вариант ГРМ целесообразно использовать на аэродромах с высотой снежного покрова до 100 см и сложным рельефом местности в зоне захода самолетов на посадку.

Пример реализации №3

В примере №3 ГРМ содержит (фиг.4) устройство 10 формирования сигналов суммарного канала, устройство 20 формирования сигналов разностного канала, антенную решетку 30, состоящую из 4-х излучающих элементов ∑_n (301, 302, 303, 304) суммарного канала, антенную решетку 40 излучающих элементов разностного канала, состоящую из 4 нижних Δн_n (401, 403, 405, 407) и 4 верхних Δв_n (402, 404, 406, 408) излучающих элементов, первый делитель мощности 50 с одним входом и 4-мя выходами (501, 502, 503, 504), второй делитель мощности 60 с одним входом и 4-мя выходами (601, 602, 603, 604), 4 делителя мощности 70 (701, 702, 703, 704) с одним входом и двумя выходами каждый, 4 фазовращателя суммарного канала 80 (801, 802, 803, 804), 4 фазовращателя разностного канала 90 (901, 902, 903, 904). Каждому излучающему элементу суммарного канала ∑_n соотнесен один верхний Δв_n и один нижний Δн_n элемент разностного канала с образованием четырех троек излучающих элементов: (∑₁, Δв₁, Δн₁), (∑₂, Δв₂, Δн₂), (∑₃, Δв₃, Δн₃), (∑₄, Δв₄, Δн₄). Излучающие элементы антенной решетки суммарного канала расположены последовательно друг над другом на высотах H₁, Н₂, Н₃ и H₄, причем высота H₁ первой антенны равна:

H₁=d+H₀,

где:

,

H₀=H_n1 - высота подвеса первой нижней антенны Δн₁ относительно поверхности Земли. Нижние Δн_n и верхние Δв_n излучающие элементы разностного канала расположены симметрично относительно соответствующих излучающих элементов ∑_n суммарного канала на расстоянии ±d относительно упомянутых элементов. В качестве излучающих элементов применены упомянутые выше серийные рупорные антенны с вертикальным размером раскрыва, равным 0,28 м. В табл.9-12 приведены высоты подвеса, нормированные амплитуды и фазы токов относительно амплитуд и фаз токов в излучающих элементах первой тройки излучателей.

Табл.9 Первая тройка излучающих элементов Обозначение и номер излучающего элемента Высота подвеса излучающих элементов антенной решетки относительно подстилающей поверхности Нормированная амплитуда Фаза Δн₁ Н_н=Н₁-d=1 м b₁=1 ψ₁=0 Σ₁ H₁=2,50 м a₁=l ψ₁=0 Δв₁ H_в=H₁+d=(2,5+1,5) м = 4,00 м b₁=1 ψ₁=0

Табл.10 Вторая тройка излучающих элементов, установленных на расстоянии 0,75 м от первой тройки элементов Обозначение и номер излучающего элемента Высота подвеса излучающих элементов антенной решетки относительно подстилающей поверхности Амплитуда Фаза Δн₂ H_2н=H₂-d=3,25-1,5=1,75 м b₂=l ψ₂=90° Σ₂ Н₂=Н₁+0,75 м = 2,5+0,75=3,25 м а₂=1 ψ₂=90° Δв₂ H_в=H₂+d=(3,25+1,50) м = 4,75 м b₂=1 ψ₂=90°

Табл.11 Третья тройка излучающих элементов, установленных на расстоянии 1 м от первой тройки элементов Обозначение и номер излучающего элемента Высота подвеса излучающих элементов антенной решетки относительно подстилающей поверхности Амплитуда Фаза Δн₃ Н_н3-d=3,5-1,5=2,0 м b₃=0,8 ψ₂=180° Σ₃ H₃=H₁+1 м = 2,5+1=3,50 м а₃=0,8 ψ₂=180° Δв₃ H_3в=Н₃+d=3,5+1,5=5 м b₃=0,8 ψ₂=180°

Табл.12 Четвертая тройка излучающих элементов, установленных на расстоянии 1,75 м от первой тройки элементов Обозначение и номер излучающего элемента Высота подвеса излучающих элементов антенной решетки относительно подстилающей поверхности Амплитуда Фаза Δн₄ H_4н=H₄-d=4,25-1,5=2,75 м b₄=0,8 ψ₁=270° Σ₄ Н₄=Н₁+1,75 м = 2,5+1,75=4,25 м a₄=0,8 ψ₁=270° Δв₄ Н_4в=Н₄+d=4,25+1,5=5,75 м b₄=0,8 ψ₁=270°

На фиг.12 представлены диаграмма направленности антенной решетки разностного канала из 8-ми рупорных антенн (пунктирная линия), диаграмма направленности антенной решетки суммарного канала из 4-х рупорных антенн (штриховая), и зависимость РГМ от угла места (сплошная линия).

Как видно из графиков на фиг.12, угол глиссады равен 3°. Зона глиссады сформирована при большой величине сигнала суммарного канала. Уровень суммарного и разностного сигналов в окрестности направления на горизонт (до угла места, равного 45') ослаблен на величину более 20 дБ по сравнению с уровнем сигнала с "нулевой" решеткой. С увеличением угла в области выше границы действия ГРМ сигналы суммарного и разностного каналов быстро увеличиваются. Максимум диаграммы направленности для сигналов разностного канала наблюдается при . Представленные на фиг.12 данные свидетельствуют о больших потенциальных возможностях ГРМ с точки зрения снижения величины искривлений глиссады на аэродромах с неблагоприятной формой рельефа местности в зоне захода самолетов на посадку. Изменяя относительную амплитуду сигналов в третьей и четвертой тройках, можно регулировать величину ослабления сигналов под малыми углами места. Выбирая другие значения для высот подвеса антенн третьей и четвертой троек, можно изменять величину сектора углов места в окрестности направления на горизонт, в котором выполняется "вырезка" в диаграммах направленности антенных решеток суммарного и разностного каналов.

Пример реализации №4

Обратимся теперь к фиг.13, на которой представлены диаграммы направленности и зависимость РГМ от угла места для радиомаяка, включающего в себя антенную решетку суммарного канала с пятью излучающими элементами и антенную решетку разностного канала, включающую в себя десять излучающих элементов. ГРМ содержит устройство 10 формирования сигналов суммарного канала, устройство 20 формирования сигналов разностного канала, антенную решетку 30, состоящую из 5-х излучающих элементов ∑_n (301, 302, 303, 304, 305) суммарного канала, антенную решетку 40 излучающих элементов разностного канала, состоящую из 5 нижних Δн_n (401, 403, 405, 407, 409) и 5 верхних Δв_n (402, 404, 406, 408, 410) излучающих элементов, первый делитель мощности 50 с одним входом и 5-ю выходами (501-505), второй делитель мощности 60 с одним входом и 5-ю выходами (601-605), 5 делителей мощности 70 (701-705) с одним входом и двумя выходами каждый, 5 фазовращателей суммарного канала 80 (801-805), 5 фазовращателей разностного канала 90 (901-905), 5 сумматоров 1001-1005 сигналов суммарного и разностного каналов с первым и вторым входами и одним выходом каждый, 1 сумматор сигналов разностного канала с первым и вторым входами и одним выходом 1101, при этом принято, что нижние входы упомянутых сумматоров 100 и 110 являются первыми входами, а верхние - вторыми. Излучающие элементы 301, 302, …, 30N антенной решетки суммарного канала 30 расположены на расстоянии друг от друга, равном d. Излучающие элементы 301-305 антенной решетки суммарного канала применены для излучения сигналов как суммарного, так и разностного каналов. При этом выход n-го сумматора 100n соединен с n-м излучающим элементом антенной решетки 30n суммарного канала.

Устройство формирования сигналов суммарного канала 10 соединено с первым делителем мощности 50, выходы которого 501-505 последовательно соединены с фазовращателями 801-805 суммарного канала и первыми входами сумматоров 1001-1005 суммарного и разностного каналов.

Устройство формирования сигналов разностного канала 20 соединено с входом второго делителя мощности 60, выходы которого 601-605 последовательно соединены с фазовращателями 901-905 разностного канала и входами совпадающих по номерам делителей мощности с первым и вторым выходами 701-705. Далее принято считать, что нижние выходы делителей 701, 702, …, 70N на фиг.10 являются первыми выходами, а верхние - вторыми.

Первый выход первого делителя 701 на два направления соединен с первым нижним излучающим элементом 401, а второй выход последовательно соединен с первым входом первого сумматора 1101 сигналов разностного каналов, вторым входом второго сумматора 1003 сигналов суммарного и разностного каналов.

Первый выход второго делителя мощности 702 соединен с антенной 403, а второй выход упомянутого делителя 702 соединен последовательно с первым входом сумматора 1104 сигналов суммарного и разностного каналов.

Первый выход третьего 703 делителя соединен со вторым входом сумматора 1001 сигналов суммарного и разностного каналов, а второй выход соединен с первым входом сумматора 1005 сигналов суммарного и разностного каналов.

Первый выход четвертого 704 делителя соединен со вторым входом сумматора 1002 сигналов суммарного и разностного каналов, а второй выход соединен с антенной 408.

Первый выход первого делителя 705 на два направления последовательно соединен со вторым входом сумматора 1101 сигналов разностного канала, вторым входом сумматора 1003 сигналов суммарного и разностного каналов, а второй выход соединен с антенной 410.

Каждому излучающему элементу суммарного канала ∑_n соотнесен один верхний Δв_n и один нижний Δн_n элемент разностного канала с образованием пяти троек излучающих элементов: (∑₁, Δв₁, Δн₁)÷(∑₅, Δв₅, Δн₅).

Излучающие элементы антенной решетки суммарного канала расположены последовательно друг над другом на высотах H₁, H₁+d, H₁+2d причем высота H₁ первой антенны равна:

H₁=d+H₀,

где

,

λ - длина рабочей волны;

θ_гл - заданный угол глиссады;

H₀ - высота подвеса первой нижней антенны Δн₁ относительно поверхности Земли, принятая в данном примере равной 1 м.

Нижние Δн_n и верхние Δв_n излучающие элементы разностного канала с нечетными и четными номерами расположены симметрично соответственно относительно излучающих элементов ∑_n суммарного канала на расстоянии ±d относительно упомянутых элементов. В качестве излучающих элементов применены серийные рупорные антенны с вертикальным размером раскрыва, равным 0,28 м.

В табл.13 приведены нормированные амплитуды и фазы токов относительно амплитуд и фаз токов в излучающих элементах первой тройки излучателей.

Табл.13   Первая Вторая Третья Четвертая Пятая Высота, м 2,5 3,25 4,0 4,75 5,5 Относительная амплитуда в_n 1 1 0,75 0,75 0,1 Относительная амплитуда a_n 1 1 0,75 0,75 0,1 Фаза ψ_n 0° 90° 180° 270° 0°

На фиг.13 представлены амплитудная диаграмма направленности антенной решетки разностного канала из 10-и рупорных антенн (пунктирная линия), амплитудная диаграмма направленности антенной решетки суммарного канала из 5-ти рупорных антенн (штриховая), и зависимость КРС от угла места (сплошная линия) ГРМ.

Как видно из графиков на фиг.14, угол глиссады равен 3°. Зона глиссады сформирована при большой величине сигнала суммарного канала. Уровень суммарного и разностного сигналов в окрестности направления на горизонт (до угла места, равного 45') ослаблен на величину более 20 дБ по сравнению с уровнем сигнала ГРМ с "нулевой" решеткой. С увеличением угла в области выше границы 45' сигналы суммарного и разностного каналов быстро увеличиваются по амплитуде. Максимум диаграммы направленности для сигналов разностного канала наблюдается при . Представленные на фиг.13 данные свидетельствуют о больших потенциальных возможностях построения ГРМ с точки зрения снижения величины искривлений глиссады на аэродромах с неблагоприятными складками рельефа местности в зоне захода самолетов на посадку, образующие угол закрытия до величины . Изменяя относительную амплитуду сигналов в третьей, четвертой и пятой тройках, можно регулировать величину ослабления сигналов под малыми углами места. Выбирая другие значения для высот подвеса антенн третьей и четвертой троек, можно изменять величину сектора углов места в окрестности направления на горизонт, в котором выполняется "вырезка" в диаграммах направленности антенных решеток суммарного и разностного каналов. Рассмотренный вариант реализации №4 с 5-ю тройками антенн отличается от предыдущего варианта №3 с 4-мя тройками большей крутизной амплитудной диаграммы направленности в окрестности нижней границы зоны действия ГРМ.

Другие варианты ГРМ. Очевидно, что данное изобретение допускает большое количество модификаций глиссадного радиомаяка, от варианта ГРМ, использующего две тройки излучающих элементов, до вариантов ГРМ, использующих семь и более троек излучающих элементов. В качестве излучающих элементов антенных решеток могут использоваться, кроме упомянутых рупорной и плоской резонаторной антенн, антенны других типов: антенны Уда-Яги, антенны типа "Сыр", линейные или плоские антенные решетки вибраторов с общим рефлектором и другие антенны. Причем в разных тройках в одном и том же ГРМ в качестве излучающих элементов могут применяться разные типы антенн.

Данный вариант ГРМ дециметрового диапазона волн целесообразно использовать на аэродромах, расположенных в местности с высотой снежного покрова до 150 см, со складками рельефа местности в зоне захода самолетов на посадку, составляющими угол закрытия до 1°.

Применение изобретения

Глиссадный радиомаяк в соответствии с настоящим изобретением может использоватся:

- на аэродромах с высоким уровнем снежного покрова;

- на аэродромах с высоким уровнем снежного покрова и сложным рельефом местности в зоне подхода самолетов на посадку: на аэродромах в балочно-овражистой местности, в холмистой и предгорной местности; на аэродромах, на которых концевая полоса безопасности круто обрывается к морю; на аэродромах, на которых взлетно-посадочная полоса и площадка для ГРМ расположены на искусственной насыпи;

- на аэродромах, расположенных в лесной местности;

- на аэродромах с высоким уровнем снежного покрова, со сложным рельефом местности и лесными массивами в зоне захода самолетов на посадку.

На всех перечисленных аэродромах с применением ГРМ по настоящему изобретению исключается необходимость в уборке снега или в укатывании снега на территории перед маяком (в так называемой зоне А ГРМ, размеры которой определяются размерами зоны Френеля на земной поверхности и составляющей десятки тысяч квадратных метров).

Применение ГРМ по настоящему изобретению исключает необходимость в летных настройках ГРМ при переходе от осени к зиме и от зимы к лету.

Варианты глиссадного радиомаяка (ГРМ) предназначены для обеспечения инструментального захода самолетов на посадку на аэродромы с высоким уровнем снежного покрова и складками местности в зоне захода самолетов на посадку, вызывающими интерференцию радиоволн в области глиссады, без уборки или укатывания снега перед ГРМ, при этом не требуется перестройки ГРМ при переходе с лета на зиму и наоборот. Достигаемым техническим результатом является повышение стабильности угла глиссады и крутизны зоны глиссадного радиомаяка при изменении высоты подстилающей поверхности или при изменении свойств подстилающей поверхности. Указанный технический результат достигается тем, что ГРМ содержит антенную решетку N излучающих элементов суммарного канала и антенную решетку 2N излучающих элементов разностного канала (N нижних и N верхних), расположенных симметрично относительно излучающих элементов суммарного канала на расстоянии ±d, , где λ - длина волны; θ_гл - заданный угол глиссады, а амплитуды токов в излучателях суммарного канала выбраны из условия ослабления излучения радиоволн в направлении складок местности. 3 н.п. ф-лы, 13 ил., 13 табл.

1. Глиссадный радиомаяк для обеспечения инструментального захода самолетов на посадку на аэродромы с высоким уровнем снежного покрова и складками местности в зоне захода самолетов на посадку, вызывающими интерференцию радиоволн в области глиссады, содержащий устройство формирования сигналов суммарного канала, устройство формирования сигналов разностного канала, антенную решетку излучающих элементов суммарного канала, антенную решетку излучающих элементов разностного канала, первый делитель мощности с одним входом и N выходами, второй делитель мощности с одним входом и N выходами, где N - целое число, большее или равное двум, N делителей мощности на два направления с одним входом и двумя выходами каждый, N фазовращателей суммарного канала, N фазовращателей разностного канала, причем антенная решетка суммарного канала содержит N излучающих элементов ∑_n, антенная решетка разностного канала содержит N нижних Δн_n и N верхних Δв_n излучающих элементов; каждому излучающему элементу антенной решетки суммарного канала ∑_n соотнесен один верхний Δв_n и один Δн_n нижний элемент антенной решетки разностного канала с образованием упорядоченного семейства N троек излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n), в котором в каждой тройке нижние и верхние излучающие элементы антенной решетки разностного канала имеют тот же номер n, что и номер излучающего элемента антенной решетки суммарного канала; излучающие элементы антенной решетки суммарного канала расположены последовательно друг над другом на высотах Н_n в порядке возрастания номера n излучающего элемента от 1 до N, причем высота H₁ первого излучающего элемента антенной решетки суммарного канала равна:
H₁=d+H₀,
где ,
λ - длина волны; θ_гл - заданный угол глиссады; Н₀ - высота подвеса первого нижнего излучающего элемента антенной решетки относительно поверхности Земли, примерно равная 1 м; нижние Δн_n и верхние Δв_n излучающие элементы разностного канала с номером n расположены симметрично относительно n-го излучающего элемента ∑_n суммарного канала на расстоянии d относительно упомянутого элемента; при этом устройство формирования сигналов суммарного канала соединено с первым делителем мощности на N направлений, выходы которого последовательно соединены с имеющими одинаковые номера фазовращателями суммарного канала и излучающими элементами ∑_n упомянутой антенной решетки; устройство формирования сигналов разностного канала соединено с входом второго делителя мощности на N направлений, выходы которого соединены последовательно с фазовращателями разностного канала и входами совпадающих по номерам делителей мощности на два направления, первый выход каждого упомянутого делителя соединен с таким же по номеру нижним излучающим элементом, а каждый второй выход соединен с таким же по номеру верхним излучающим элементом антенной решетки; каждая тройка излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n) запитана синфазными токами, причем амплитуды токов в излучающих элементах Δн_n и Δв_n равны друг другу, амплитуды токов в излучающих элементах Δн_n и Δв_n пропорциональны амплитудам токов в излучающих элементах ∑_n; амплитуды токов в излучающих элементах ∑_n выбираются из условия ослабления радиоволн в направлении складок местности в зоне захода самолетов на посадку.

2. Глиссадный радиомаяк для обеспечения инструментального захода самолетов на посадку на аэродромы с высоким уровнем снежного покрова и складками местности в зоне захода самолетов на посадку, вызывающими интерференцию радиоволн в области глиссады, содержащий устройство формирования сигналов суммарного канала, устройство формирования сигналов разностного канала, антенную решетку излучающих элементов, первый делитель мощности с одним входом и N выходами, второй делитель мощности с одним входом и N выходами, где N - целое число, большее или равное трем, N делителей мощности на два направления с одним входом и двумя выходами каждый, N фазовращателей суммарного канала, N фазовращателей разностного канала, N сумматоров сигналов суммарного и разностного каналов с первым и вторым входами и одним выходом каждый, N-2 сумматоров сигналов разностного канала с двумя входами и одним выходом каждый, при этом каждому излучающему элементу сигналов суммарного канала ∑_n соотнесен один верхний Δв_n и один нижний Δн_n излучающий элемент с образованием упорядоченного семейства N троек излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n), в котором в каждой тройке нижние и верхние излучающие элементы имеют тот же номер n, что и номер излучающего элемента ∑_n; излучающие элементы ∑_n расположены последовательно друг над другом на высотах Н_n в порядке возрастания номера n излучающего элемента от 1 до N, причем высота H₁ первого излучающего элемента ∑₁ равна:
H₁=d+H₀,
где ,
d - расстояние от излучающего элемента ∑_n до нижнего Δн_n (верхнего Δв_n) излучающего элемента; λ - длина волны; θ_гл - заданный угол глиссады; Н₀ - высота подвеса нижнего излучающего элемента антенной решетки относительно поверхности Земли, примерно равная 1 м; нижние Δн_n и верхние Δв_n излучающие элементы с номером n расположены симметрично относительно n-го излучающего элемента ∑_n на расстоянии d относительно упомянутого элемента; выход n-го сумматора сигналов суммарного и разностного каналов соединен с n-м излучающим элементом ∑_n, устройство формирования сигналов суммарного канала соединено с входом первого делителя мощности на N направлений, выходы которого соединены последовательно с фазовращателями суммарного канала и первыми входами сумматоров сигналов суммарного и разностного каналов; устройство формирования сигналов разностного канала соединено с входом второго делителя мощности на N направлений, выходы которого последовательно соединены с фазовращателями разностного канала и входами совпадающих по номерам делителей мощности на два направления; первый выход первого делителя мощности на два направления соединен с нижним излучающим элементом Δн₁, антенной решетки, а второй выход последовательно соединен с первым входом первого сумматора сигналов разностного канала, вторым входом второго сумматора сигналов суммарного и разностного каналов; первый выход второго делителя мощности на два направления соединен последовательно со вторым входом первого сумматора сигналов суммарного и разностного каналов, а второй выход упомянутого делителя соединен последовательно с первым входом второго сумматора сигналов разностного канала, вторым входом третьего сумматора сигналов суммарного и разностного каналов; первый выход третьего и последующих делителей мощности на два направления последовательно соединен со вторым входом сумматора сигналов разностного канала, номер которого на две единицы меньше номера упомянутого делителя мощности, со вторым входом сумматора сигналов суммарного и разностного каналов с номером на одну единицу меньше, чем номер упомянутого делителя мощности на два направления, а второй выход упомянутых делителей мощности на два направления последовательно соединен с первым входом сумматора сигналов разностного канала с номером, равным номеру упомянутого делителя мощности на два направления, со вторым входом сумматора сигналов суммарного и разностного каналов с номером на одну единицу больше номера упомянутого делителя мощности; первый выход N-1 делителя мощности на два направления соединен последовательно со вторым входом N-3 сумматора сигналов разностного канала, со вторым входом N-2 сумматора сигналов суммарного и разностного каналов, а второй выход соединен со вторым входом N-го сумматора сигналов суммарного и разностного каналов; первый выход N-го делителя мощности на два направления соединен последовательно со вторым входом N-2 сумматора сигналов разностного канала, со вторым входом N-1 сумматора сигналов суммарного и разностного каналов, а второй выход соединен с верхним излучающим элементом антенной решетки Δв_n: каждая тройка излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n) запитана синфазными токами, причем амплитуды токов в излучающих элементах Δн_n и Δв_n равны друг другу, амплитуды токов в излучающих элементах Δн_n и Δв_n пропорциональны амплитудам токов в излучающих элементах ∑_n; амплитуды токов в излучающих элементах ∑_n выбираются из условия ослабления радиоволн в направлении складок местности в зоне захода самолетов на посадку.

3. Глиссадный радиомаяк для обеспечения инструментального захода самолетов на посадку на аэродромы с высоким уровнем снежного покрова и складками местности в зоне захода самолетов на посадку, вызывающими интерференцию радиоволн в области глиссады, содержащий устройство формирования сигналов суммарного канала, устройство формирования сигналов разностного канала, антенную решетку излучающих элементов, первый делитель мощности с одним входом и двумя выходами, второй делитель мощности с одним входом и двумя выходами, два делителя мощности на два направления с одним входом и двумя выходами каждый, два фазовращателя суммарного канала, два фазовращателя разностного канала, два сумматора сигналов суммарного и разностного каналов с первым и вторым входами и одним выходом каждый; при этом каждому излучающему элементу суммарного канала ∑_n, n=1, 2, антенной решетки соотнесен один верхний Δв_n и один нижний Δн_n излучающий элемент с образованием упорядоченного семейства двух троек излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n), n=1, 2, в котором в каждой тройке нижние и верхние излучающие элементы имеют тот же номер n, что и номер излучающего элемента ∑_n; излучающие элементы ∑_n расположены друг над другом на высотах Н_n, причем высота H₁ первого излучающего элемента ∑₁ равна:
H₁=d+H₀,
где ,
λ - длина волны; θ_гл - заданный угол глиссады; Н₀ - высота подвеса первого нижнего излучающего элемента антенной решетки относительно поверхности Земли, примерно равная 1 м; нижние Δн_n и верхние Δв_n излучающие элементы с номером n расположены симметрично относительно n-го излучающего элемента ∑_n на расстоянии d относительно упомянутого элемента; при этом выход n-го сумматора сигналов суммарного и разностного каналов соединен с n-м излучающим элементом ∑_n, устройство формирования сигналов суммарного канала соединено с входом первого делителем мощности на два направления, выходы которого соединены последовательно с фазовращателями суммарного канала и первыми входами сумматоров сигналов суммарного и разностного каналов; устройство формирования сигналов разностного канала соединено с входом второго делителя мощности на два направления, выходы которого последовательно соединены с фазовращателями разностного канала и входами совпадающих по номерам делителей мощности на два направления; первый выход первого делителя мощности на два направления соединен с нижним излучающим элементом Δн₁ антенной решетки, а второй выход соединен со вторым входом второго сумматора сигналов суммарного и разностного каналов; первый выход второго делителя мощности на два направления соединен со вторым входом первого сумматора сигналов суммарного и разностного каналов, а второй выход упомянутого делителя соединен с верхним излучающим элементом антенной решетки: каждая тройка излучающих элементов (∑_n, Δв_n, Δн_n) запитана синфазными токами, причем амплитуды токов в излучающих элементах Δн_n и Δв_n равны друг другу, амплитуды токов в излучающих элементах Δн_n и Δв_n пропорциональны амплитудам токов в излучающих элементах ∑_n; амплитуды токов в элементах, излучающих сигналы суммарного канала ∑_n, выбираются из условия ослабления радиоволн в направлении складок местности в зоне захода самолетов на посадку.