УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МНОГОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА Российский патент 2014 года по МПК H01Q21/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике, может быть использовано в радиолокации, в системах связи и других устройствах, в которых используются последовательности мощных радиоимпульсов.

Уровень техники

Известно устройство для формирования мощных широкополосных и сверхширокополосных радиоимпульсов - пространственно-временной преобразователь (ПВП) [1].

Структурная схема известного устройства приведена на фиг.1. Антенная решетка (1) излучает непрерывный сигнал и формирует сканирующую диаграмму направленности (ДН), которая последовательно облучает элементы приемной решетки (2). Элементами решеток (1) и (2) являются рупорные антенны. С помощью линий задержки (3) в каналах решетки (2) сигнал, излученный решеткой (1) за время сканирования t_ck, излучается выходной апертурой решетки (5) в течение времени облучения сканирующей ДН одного элемента решетки (2). Накопление энергии, принятой решеткой (2), за время сканирования происходит в линиях задержки.

Коэффициент накопления энергии равен отношению времени сканирования t_ck к длительности излучаемого импульса.

Плотность потока мощности (вектор Пойнтинга), излучаемая решеткой (1), составляет:

$${П}_1=P_i{S}_1{N}^2/\left({\lambda }^2{R}^2\right)\left[Вт/с{м}^2\right]$$

где S₁ - эффективная площадь одного элемента решетки (1), N - количество элементов решетки (1), R - расстояние между решетками (1) и (2), P_i - мощность, подводимая к каждому элементу решетки (1). Площадь раскрыва входного элемента (2) выбирается исходя из соотношения:

S=λ²R²/(S₁N),

то есть площадь элемента антенны (2) равна площади сечения ДН (1) по уровню 3 дБ. Импульсная мощность, подводимая к элементу решетки (2), составляет ~NP_i. Выходная апертура (5), с помощью фазовращателей (4), обеспечивает синфазное излучение импульсных сигналов. При одинаковом числе элементов решеток (1) и (2), импульсная мощность, излучаемая решеткой (5), будет равна:

P≈N²P_i

Т.е. выходная импульсная мощность, излучаемая устройством на основе ПВП, пропорциональна N² (квадрату числа элементов сканирующей решетки (1)).

В качестве прототипа выбрано устройство [2], отличающееся, во-первых, тем, что с целью снижения потерь энергии между решетками (1) и (2), обусловленных излучением в свободное пространство (мимо апертуры (2)), обе решетки помещены между двумя металлическими плоскостями, образующими сверхразмерный волновод (фиг.2, фиг.3). Во-вторых, в этом устройстве, для получения максимально возможной скорости сканирования в качестве решетки (1) используется линейная эквидистантная многочастотная антенная решетка (МЧАР) [3,4].

Сканирование ДН МЧАР реализуется за счет возбуждения элементов решетки (1) разночастотными сигналами с монотонным изменением частот сигналов по элементам апертуры f₁=f₁+Δf(i-1), где f_i - частота сигнала, излучаемая i-м элементом решетки (i=1…N); f₁ - частота сигнала, излучаемого первым элементом решетки; Δf - дискрет частоты. Этот способ сканирования, в частности, был реализован в США в проекте MOSAR фирмой General Electric, а так же запатентован во Франции в 1973 г. [5]. Скорость сканирования ДН МЧАР можно представить как:

$$V_{ск}=d{\Theta }_{м}/dt=-\Delta \omega /\left(k_{0}d\cos {\Theta }_{м}\right)=-\delta c/\left(D\cos {\Theta }_{м}\right)\left[рад/с\right]$$ ,

где Θ_м - направление на главный максимум ДН, отсчитываемое от оси нормали к оси решетки (1); Δω - разность циклических частот между соседними элементами решетки (1); k₀ - волновое число на средней частоте излучаемого спектра; d - расстояние между центрами соседних элементов решетки (1); D - расстояние между центрами крайних элементов МЧАР; δ=ΔF/F₀ - относительная полоса частот многочастотного сигнала; ΔF - ширина излучаемого спектра; F₀ - средняя частота спектра.

Основной недостаток прототипа состоит в том, что при формировании мощных импульсов высокая плотность потока энергии приводит к электрическим СВЧ пробоям в сверхразмерном волноводе.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является повышение импульсной мощности излучаемых сигналов.

Решение поставленной задачи достигается использованием в МЧАР ненаправленных в плоскости сканирования излучающих элементов с расстоянием между центрами соседних элементов, равным половине средней длины волны многочастотного сигнала. В результате линейная МЧАР формирует двухлучевую ДН, оба луча которой сканируют одновременно в двух полуплоскостях симметрично относительно оси МЧАР. Таким образом, энергия, излучаемая решеткой, равномерно распределяется между двумя лучами ДН, что снижает плотность потока энергии в сверхразмерном волноводе в два раза, позволяя в два раза повысить мощность излучаемых импульсных сигналов.Описание чертежей

На фиг.1 показана структурная схема прототипа изобретения. На фиг.2 приведена фотография экспериментального образца ПВП прототипа изобретения. Эскиз сверхразмерного волновода ПВП прототипа в разрезе показан на фиг.3. На фиг.4 приведена структурная схема изобретения. На фиг.5 изображен вариант реализации изобретения в аксонометрии в разрезе, параллельном плоскости сканирования.

Осуществление изобретения

Устройство (фиг.4) содержит сканирующую МЧАР (1), состоящую из изотропных в плоскости сканирования излучателей с расстоянием между центрами соседних излучателей, равным половине средней длины волны многочастотного сигнала, приемную антенную решетку (2), состоящую из волноводных рупоров, элементы которой (рупоры) расположены внутри сверхразмерного волновода (6) в секторе углов 360°, линии задержки (3), фазовращатели (4) и передающую антенную решетку (5).

Устройство работает следующим образом.

Сканирующая МЧАР (1) излучает непрерывный сигнал и формирует два луча диаграммы направленности, которые сканируют синхронно и симметрично относительно оси МЧАР в сверхразмерном волноводе (6) со скоростью V_ck. По окружности радиуса R, центр которой совмещен с серединой МЧАР, располагаются элементы приемной апертуры. При сканировании ДН на выходе каждого приемного элемента формируется импульсный сигнал, форма которого повторяет форму ДН, а длительность равна $${\tau }_u=\frac{{\Theta }_{ДН}}{V_{ck}}$$ (где Θ_ДН - ширина диаграммы направленности антенны). Таким образом, в результате сканирования ДН происходит преобразование спектра пространственных частот, излучаемых антенной, в импульсный сигнал (сигнал, изменяющийся во времени) - пространственно-временное преобразование сигнала.

В результате, на выходе приемных элементов решетки (2) образуются импульсы, сдвинутые относительно друг друга на время $${\tau }_{З}=\frac{\alpha }{V_{ck}}=\frac{d}{R{V}_{ck}}$$ , где α - угол между центрами приемных элементов, отсчитываемый из центра МЧАР. С помощью линий задержки, установленных на выходах приемных элементов достигается одновременность появления максимумов на выходах элементов решетки 5. Очевидно, что задержки будут распределены симметрично относительно оси решетки.

Возможен следующий вариант технической реализации изобретения (фиг.5).

Сканирующая МЧАР (1) и приемная решетка (2) располагаются между двух проводящих дисков, образующих сверхразмерный волновод. Поскольку на фиг.5 устойство показано в разрезе, верхний диск отсутствует. МЧАР состоит из 11 элементов, изотропных в плоскости сканирования ДН (плоскости, параллельной дискам), и работает в диапазоне частот 1000-1150 МГц. Расстояние между центрами элементов МЧАР - 137 мм, размер МЧАР - 1,37 м. Расстояние между дисками, образующими сверхразмерный волновод, - 100 мм.

Приемная решетка (2) состоит из 30 Н-секториальных рупоров с размером апертуры 100×419 мм. Раскрывы рупоров расположены на окружности с радиусом 2 м, центр которой совпадает с серединой МЧАР. В качестве линий задержки используются коаксиальные линии, подключенные к рупорам приемной решетки с помощью волноводно-коаксиальных переходов. Расчетные времена задержек и соответствующие им длины коаксиальных линий с воздушным диэлектриком приведены в таблице.

Описанное устройство формирует импульс длительностью ~6,6 нс при скважности ~11. Расчеты были произведены с помощью математических моделей [6, 7].

Таблица № канала Время задержки, нс Длина линии задержки,     м 1 0,000 0,200 2 1,601 0,680 3 4,581 1,574 4 8,717 2,815 5 13,787 4,336 6 19,524 6,057 7 25,751 7,925 8 32,244 9,873 9 38,692 11,808 10 45,008 13,702 11 50,834 15,450 12 56,037 17,011 13 60,307 18,292 14 62,986 19,096 15 64,588 19,576 16 64,588 19,576 17 62,986 19,096 18 60,307 18,292 19 56,037 17,011 20 50,834 15,450 21 45,008 13,702 22 38,692 11,808 23 32,244 9,873 24 25,751 7,925 25 19,524 6,057 26 13,787 4,336 27 8,717 2,815 28 4,581 1,574 29 1,601 0,680 30 0,000 0,200

ЛИТЕРАТУРА

1. RU2329576 C1 10.01.2007.

2. Н.В.Воробьев, B.А.Грязнов, И.Н.Воробьев, С.В.Ягольников. Метод пространственно-временного преобразования для формирования мощных широкополосных и сверхширокополосных радиоимпульсов. М. РАН, ИРЭ им.В.А. Котельникова. Сборник докладов IV Всероссийской конференции «Радиолокация и связь», 2010.

3. Воробьев Н.В., Грязнов В.А. Многочастотные антенные решетки для формирования импульсных сигналов // Радиотехника (Журнал в журнале) - 1997 - Вып.26, №11. С.107-108.

4. Кучеров Ю.С., Чапурский В.В. Антенные решетки со сверхбыстрым сканированием луча // «Радиотехника и электроника», том 39, вып.10, 1994.

5. Сканирующая антенна. Заявка на изобретение №2153076. Франция. 1973. 06.01.

6. Аджемов С.С., Воробьев Н.В. Грязнов В.А. Моделирование многочастотных антенных решеток. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. №2006613973, зарегистрировано 21 ноября 2006 г.

7. Аджемов С.С., Воробьев Н.В., Грязнов В.А. Моделирование пространственно-временных преобразователей многочастотного сигнала. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2006614021. Зарегистрировано 22 ноября 2006 г.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокации, в системах связи и других устройствах, в которых используются последовательности мощных радиоимпульсов. Техническим результатом является повышение импульсной мощности излучаемых сигналов. Для этого устройство формирования мощных импульсных сигналов на основе метода пространственно-временного преобразования многочастотного сигнала содержит сканирующую многочастотную антенную решетку (1), состоящую из изотропных в плоскости сканирования излучателей, приемную антенную решетку (2), состоящую из волноводных рупоров, элементы которой (рупоры) расположены внутри сверхразмерного волновода (6) в секторе углов 360°, линий задержки (3), фазовращателей (4) и передающей антенной решетки (5). 5 ил., 1 табл.

Устройство формирования мощных импульсных сигналов на основе метода пространственно-временного преобразования многочастотного сигнала, содержащее излучающую сканирующую многочастотную антенную решетку, приемную антенную решетку, состоящую из приемных элементов, обе решетки находятся в сверхразмерном волноводе, линии задержки, фазовращатели и излучающую антенную решетку, состоящую из излучающих элементов, выходы приемных элементов соединены с входами линий задержки, выходы линий задержки соединены с входами фазовращателей, выходы фазовращателей соединены с входами излучающих элементов, сканирующая многочастотная антенная решетка является облучателем приемной антенной решетки, а линии задержки предназначены для компенсации разницы времени попаданий максимума импульсного сигнала, формируемого при сканировании диаграммы направленности облучателя, на входы соседних приемных элементов, отличающееся тем, что сканирующая многочастотная антенная решетка состоит из ненаправленных в плоскости сканирования элементов, расстояние между центрами которых равно половине средней длины волны сигнала, а приемная решетка расположена по окружности, центр которой совпадает с серединой сканирующей многочастотной антенной решетки.