ДВУХЧАСТОТНЫЙ КУРСОВОЙ РАДИОМАЯК (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК G01S1/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиомаячным системам формата ILS для обеспечения инструментального захода на посадку и посадки самолетов.

Уровень техники

Основным средством обеспечения инструментального захода самолетов гражданской авиации на посадку и посадки являются радиомаячные системы посадки (СП) метрового диапазона длин волн формата ILS (Instrument Landing System). Радиомаячные системы посадки имеют почти вековую историю развития. История развития СП в США описана в [Watts, С.В., Jr. Instrument Landing Scrapbook / С.В., Jr. Watts. - Trafford Publishing, 2005. 392 p.p.]. Основные вехи развития СП в нашей стране освещены в [НИИ-33 / ВНИИРА. История становления и развития Всесоюзного НИИ радиоаппаратуры - СПб.: 2007. - 291 с.].

Радиомаячная СП включает в себя курсовой радиомаяк (КРМ), глиссадный радиомаяк (ГРМ), бортовую аппаратуру (БА).

КРМ установлен на продолжении оси взлетно-посадочной полосы (ВПП), на стороне, противоположной стороне захода самолета на посадку. Антенна КРМ излучает в окружающее пространство электромагнитные волны в диапазоне частот 108-112 МГц, модулированные по амплитуде сигналами тональных частот f₁=90 Гц, f₂=150 Гц. Поверхность, на которой разность глубин модуляции (РГМ) сигналами f₁ и f₂ равна нулю, представляет собой вертикальную плоскость, проходящую через ось ВПП.

В процессе эксплуатации первых радиомаячных систем СП была обнаружена связь между точностными характеристиками СП и размерами и расположением местных предметов на аэродроме, таких как здание аэровокзала, ангары, стоянки самолетов и др., Следует отметить, что проблема влияния волн, отраженных от окружающей местности, существует для всех радиотехнических угломерных навигационных систем. Однако для СП эта проблема является критической. Это обусловлено высокими требованиями к точности ILS, которые на порядок превышают таковые к другим аэродромным навигационным и радиолокационным системам.

Естественным стремлением разработчиков радиомаячных систем решить проблему влияния местных предметов на точность задания курса было сужение диаграммы направленности (ДН) антенны КРМ в горизонтальной плоскости, при которой местные предметы не облучались бы сигналами КРМ. Однако пилоту трудно попасть в узкую зону. Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) установлены минимальные угловые размеры зоны действия системы ILS [1. Приложение 10 к Конвенции о международной гражданской авиации. Авиационная электросвязь. Том 1. Радионавигационные средства. ИКАО, Монреаль (Канада), 2006. - 606 с.]: ±35° в азимутальной плоскости для КРМ и от 1° до 7° в угломестной плоскости для ГРМ.

Проблема обеспечения, с одной стороны, высокой точности задания траектории полета путем сужения ДН антенн и, с другой стороны, широких зон действия КРМ и ГРМ была решена в радиомаяках с двухчастотным режимом работы. При этом используется так называемый эффект захвата (capture effect). Двухчастотный режим ILS предполагает формирование двух высокочастотных сигналов: основного - сигнала узкого канала (УК) и дополнительного - сигнала широкого канала (ШК). Задачей УК является формирование узких угловых зон: зоны курса в пределах ±2° относительно оси взлетно-посадочной полосы (ВПП). В этих зонах задается линейная зависимость между величиной информационного параметра (РГМ) и угловым отклонением самолета от заданной траектории. Широкий канал обеспечивает пилота информацией во всей остальной зоне действия, "указывая" направление "правильного" движения к траектории снижения. При этом несущая частота сигнала ШК смещена относительно частоты сигнала УК на ±(5-15) кГц.

Путем формирования ДН специальной формы добиваются существенного превышения уровня сигналов УК по сравнению с уровнем сигналов ШК в пределах узкой зоны в пределах ±2° в азимутальной плоскости и существенного превышения уровня сигналов ШК по сравнению с уровнем сигналов УК в пределах зоны наведения.

В нормах ИКАО УК обозначают как курсовой канал (CRS), ШК обозначают как клиренсный канал (CLER). Вначале появления двухчастотных маяков сигнал УК излучался одной антенной решеткой с большим количеством излучающих элементов для создания узкой ДН, а сигнал ШК излучался второй антенной решеткой с меньшим количеством излучающих элементов для создания в пространстве широкой диаграммы направленности. В бортовой же аппаратуре реализован "режим захвата", заключающийся в том, что аппаратура выделяет сигнал с большей амплитудой. В результате в узком секторе углов в направлении продолжения оси ВПП самолет ориентируется по сигналам УК, а за его пределами по сигналам ШК.

Позднее для излучения сигналов УК и ШК стали использовать одну и ту же антенную решетку (АР). Тогда в составе двухчастотного КРМ оказалось устройство распределения мощности, которое позволило одной и той же АР излучать одновременно сигналы УК и ШК. Фактически в двухчастотных КРМ с общей антенной для излучения сигналов УК и ШК устройство распределения мощности содержало все элементы фидерных трактов предшествующего варианта двухчастотного КРМ с раздельными антеннами плюс устройства суммирования сигналов поделенных сигналов УК и ШК. Такое построение аппаратуры позволило получить более экономичное решение за счет сокращения антенны для излучения сигналов ШК, однако привело к ряду недостатков, отмеченных ниже при рассмотрении аналогов и прототипа.

Для определенности при описании технических решений будем далее иметь в виду сферическую систему координат с осью Oz, перпендикулярной к поверхности Земли. Начало координат находится на продолжении оси ВПП, в точке, являющейся проекцией центра антенны КРМ на упомянутую плоскость. Азимутальный угол φ отсчитывается от направления продолжения оси ВПП.

Антенно-фидерный тракт двухчастотного КРМ совместно с передающим устройством формируют в пространстве следующие сигналы.

Сигнал "несущая плюс боковые частоты" (НБЧ) узкого канала

(НБЧУК) :

Сигнал "боковые частоты" (БЧ) узкого канала (БЧ УК)

,

Сигнал "несущая плюс боковые частоты" (НБЧ) широкого канала

(НБЧ УК) :

,

Сигнал "боковые частоты" (БЧ) широкого канала (БЧ ШК) :

,

где:

,

,

,

,

φ - азимутальный угол,

t - время,

- комплексная пространственная диаграмма направленности (ДН) антенны двухчастотного КРМ по сигналу НБЧ узкого канала, , - амплитудная ДН по сигналу НБЧ УК,

ψ₁(φ) - фазовая ДН антенны двухчастотного КРМ по сигналу НБЧ УК,

- комплексная ДН антенны двухчастотного КРМ по сигналу БЧ УК,

- амплитудная ДН по сигналу БЧ УК,

ψ₂(φ) - фазовая ДН антенны двухчастотного КРМ по сигналу БЧ УК,

- комплексная ДН антенны двухчастотного КРМ по сигналу НБЧ ШК, ,

- амплитудная ДН по сигналу НБЧ ШК,

ψ₃(φ) - фазовая ДН антенны двухчастотного КРМ по сигналу НБЧ ШК,

- комплексная ДН антенны двухчастотного КРМ по сигналу БЧ ШК, ,

- амплитудная ДН по сигналу БЧ ШК,

ψ₄(φ) - фазовая ДН антенны двухчастотного КРМ по сигналу БЧ ШК,

ω^ук - угловая частота несущей сигнала узкого канала,

ω^шк - угловая частота несущей сигнала широкого канала,

m - глубина модуляции сигнала УК (ШК) на входе антенны,

Ω₁=2πf₁, Ω₂=2πf₂,

а^ук - коэффициент, равный отношению амплитуд напряжений сигналов с угловыми частотами Ω₁ и Ω₂ модуляции в каналах БЧ и НБЧ узкого канала на входе антенны (величиной коэффициента а^ук регулируют крутизну зоны УК).

а^шк - коэффициент, равный отношению амплитуд напряжений сигналов с угловыми частотами Ω₁ и Ω₂ в каналах БЧ и НБЧ широкого канала на входе антенны (величиной коэффициента а^шк регулируют уровень РГМ в широкой зоне),

b - коэффициент, равный соотношению амплитуды сигнала НБЧ ШК к амплитуде сигнала НБЧ УК на входе антенны.

Принятый на борту самолета суммарный сигнал U^Σ(φ,t) на входе приемника является узкополосным сигналом. Сигнал U^Σ(φ,t) подвергается линейному детектированию. Для нахождения сигнала на выходе линейного детектора ниже воспользуемся методикой, используемой для описания детектирования квазигармонических колебаний [Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы / С.И. Баскаков. - М: Высшая школа. - 2005. - 464 с]. Для точного нахождения амплитуд колебаний Ω₁ и Ω₂, выделяемых низкочастотными фильтрами, и постоянной составляющей используем разложение модуля огибающей суммарного сигнала в ряд Фурье. Глубину модуляции колебанием с частотой Ω₁ (Ω₂) найдем как частное от деления амплитуды колебания Ω₁ (Ω₂) к постоянной составляющей.

Известен первый с эффектом захвата двухчастотный курсовой радиомаяк системы инструментального обеспечения захода самолетов на посадку, представленный в патенте US 4032920 E.J. Martin (Two-Frequency Instrument Landing System with Integral Monitor, МПК: G01S 1/16, опубл. 28.06.1977), содержащий:

- устройство для генерации на первой частоте сигнала курса, содержащего "несущую плюс боковые частоты", и сигнала, содержащего только "боковые частоты";

- устройство для генерации на второй частоте сигнала клиренса, содержащего "несущую плюс боковые частоты" и сигнала, содержащего только "боковые частоты";

- одну антенную решетку, содержащую некоторое количество пар излучающих элементов, расположенных на противоположных сторонах относительно продолжения оси взлетно-посадочной полосы, часть упомянутых пар приспособлена излучать мощность курсовой и клиренсной частот;

- устройство распределения мощности упомянутых курсового и клиренсного сигналов с количеством выходов, равным количеству пар излучающих элементов;

- упомянутое устройство распределения мощности содержит устройства для неравного деления мощности сигналов и подачи с заданными относительными амплитудами курсового и клиренсного сигналов с соответствующих выходов на упомянутую группу пар излучающих элементов;

- устройство распределения мощности сигнала "боковых частот", принимающее только боковые частоты упомянутых курсового и клиренсного каналов с количеством выходов, соответствующим количеству пар излучающих элементов;

- упомянутое устройство распределения мощности содержат устройства для неравного деления принятых сигналов только "боковых частот" и подачи комбинации курсовой и клиренсной мощности с заданными относительными амплитудами с выходов на упомянутую группу пар излучающих элементов

- устройство распределения мощности сигнала "несущая плюс боковые частоты", принимающее только сигнал "несущая плюс боковые частоты" упомянутых курсового и клиренсного каналов с количеством выходов, соответствующим количеству пар излучающих элементов;

- упомянутое устройство распределения мощности содержит устройства для неравного деления принятых сигналов только "несущая плюс боковые частоты" и подачи комбинации курсовой и клиренсной мощности с заданными относительными амплитудами с выходов на упомянутую группу пар излучающих элементов

- и устройства суммирования-деления, каждый из которых связан с соответствующей парой излучающих элементов и имеющий пару входов связанных с соответствующими выходами упомянутых устройств распределения мощности и делителями мощности сигналов только "боковых частот" соответственно и пару выходов соединенных с соответствующими элементами подобных пар элементов для их питания

- каждое из упомянутых устройств работает в комбинации с несущей и только "боковыми частотами", поставляемыми на их входы и делят результирующий составной сигнал на равные части между двумя излучающими элементами пары.

Недостатком первого известного двухчастотного КРМ является сложность его устройства распределения мощности, накапливающиеся ошибки в устройстве распределения мощности. Упомянутые устройства, как правило, неремонтоспособны, неперестраиваемые в известном смысле из-за того, что обнаруживаемые неисправности в распределителе мощности в процессе или после завершения процесса отладки распределителя сложны и трудоемки для коррекции.

Известен радиочастотный распределитель мощности для антенной решетки курсового радиомаяка системы инструментальной посадки, представленный в патенте R.W. Redlich (US 4907005 Radiofrequency power distributer for instrument landing system localizer antenna arrays, МПК: G01S 1/16, опубл. 06.03.1990), содержащий комбинацию ряда делителей мощности на основе четвертьволновой линии передачи и направленных ответвителей на два направления для сложения и деления мощности. Применение распределителя R.W. Redlich устраняет некоторые недостатки известного первого курсового радиомаяка, поскольку упомянутый распределитель проще распределителя, предложенного в патенте US 4032920 E.J. Martin, экономичен и просто регулируется в процессе отладки.

Однако известный второй двухчастотный КРМ с распределителем R.W. Redlich также сложен, неремонтоспособен, неперестраиваемый из-за того, что обнаруживаемые неисправности в распределителе мощности в процессе или после завершения процесса отладки распределителя сложны и трудоемки для коррекции.

Известен третий двухчастотный курсовой радиомаяк [СП-90, радиомаяк курсовой (РМК). Техническое описание ИЦРВ.461512.019ТО, НИИИТ-РТС, 1996-1999].

Известный третий двухчастотный КРМ содержит передатчик УК с выходом БЧ УК и выходом НБЧ УК, передатчик ШК с выходом БЧ ШК и выходом НБЧ ШК, линейную решетку из 8 пар излучающих элементов, расположенных на противоположных сторонах относительно продолжения оси взлетно-посадочной полосы, устройство распределения мощности упомянутых сигналов УК и ШК с количеством выходов, равных количеству пар излучающих элементов; упомянутое устройство распределения мощности содержит делитель мощности сигналов БЧ УК (Б) для неравного деления сигналов БЧ УК с одним входом и восьмью выходами 1Б, 2Б, 8Б, делитель мощности НБЧ УК (В) для неравного деления сигналов НБЧ УК с одним входом и восьмью выходами 1В, 2В,…, 8В, делитель мощности БЧ ШК (А) для неравного деления сигналов БЧ ШК с одним входом и семью выходами 2А, 3А,…, 8А, делитель мощности НБЧ ШК (Г) с одним входом и семью выходами 2Г, 3Г,…, 8Г, четырнадцать сумматоров мощности на основе 3 дБ квадратурных направленных ответвителей с первым и вторым входом, один из выходов которого нагружен на согласованную нагрузку, 44 согласованные нагрузки, двадцать один фазовращатель, восемь мостов с первым и вторым входом, первым и вторым выходами. В общей сложности четыре упомянутых делителя мощности построены на двадцати шести направленных ответвителях, имеют тридцать выходов. В обозначениях выходов буква (индекс) на второй позиции указывает на принадлежность устройства к соответствующему делителю мощности.

Выходы передатчиков соединены с одноименными входами делителей мощности. Так, например, выход БЧ УК передатчика УК соединен со входом делителя мощности БЧ УК, выход НБЧ УК соединен со входом делителя НБЧ УК.

Выход 1Б соединен с первым входом первого суммарно-разностного моста, а выходы 1В и 1Г поступают на первый и второй вход первого 3-х дБ квадратурного направленного ответвителя (НО), второй выход которого соединен с первым суммарно-разностным мостом. Выходы 2А и 2Б соединены с первым и вторым входами второго 3-х дБ квадратурного НО, выход которого соединен с первым входом второго суммарно-разностного моста, второй вход которого соединен с выходом 2В.

Выходы с индексами nA и nБ, где n=3, 4,…, 8 соединены с первым и вторым входами (2n-3)-го 3-х дБ квадратурного НО, соответственно, второй выход которого соединен с первым входом n-го суммарно-разностного моста. Выходы с индексами nB и nГ соединены с первым и вторым входами (2n-2)-ого 3-х дБ квадратурного направленного ответвителя, второй выход которого соединен со вторым входом n-го суммарно-разностного моста.

Выходы суммарно-разностных мостов соединены с соответствующими парами ИЭ АР.

В результате излучения сигналов в окружающем пространстве формируются структура электромагнитного поля в соответствии с четырьмя ДН: для сигналов БЧ УК, НБЧ УК, БЧ ШК, НБЧ ШК. В результате сложения в пространстве четырех сигналов формируется зависимость информационного параметра от азимутального угла, удовлетворяющая требованиям соответствующих норм и стандартов.

Недостатки известного третьего варианта:

- сложность в изготовлении и настройке устройства распределения мощности сигналов по ИЭ АР,

- большие потери мощности в устройстве распределении мощности, так, например, при суммировании сигналов узкого и широкого каналов в сумматоре теряется на поглощение в согласованных нагрузках 50% мощности,

- накопление ошибок в аплитудно-фазовом распределении сигналов в ИЭ АР за счет большого количества элементов тракта на пути от передатчика до ИЭ.

Выберем в качестве прототипа третий известный двухчастотный КРМ: КРМ СП-90.

Раскрытие изобретения

Технический результат настоящего изобретения заключается в существенном упрощении аппаратуры двухчастотного КРМ, снижении потерь электромагнитной энергии в устройстве распределения мощности сигналов передатчиков по излучающим элементам антенной решетки, уменьшении накопления ошибок в амплитудно-фазовом распределении сигналов по излучающим элементам антенной решетки.

Технический результат достигнут тем, что в двухчастотный курсовой радиомаяк (КРМ), содержащий передатчик узкого канала (УК) с выходом сигнала "боковые частоты" (БЧ УК) и выходом сигнала "несущая плюс боковые частоты" (НБЧ УК), передатчик широкого канала (ШК) с выходом сигнала БЧ ШК и выходом сигнала НБЧ ШК, антенную решетку (АР), состоящую из N пар (N≥1) излучающих элементов (ИЭ): N левых ИЭ и N правых ИЭ с номерами от 1 до N, отсчитываемых от центра АР к ее краям, разнесенных по разные стороны относительно продолжения оси взлетно-посадочной полосы, а также делитель мощности сигналов "боковые частоты" (ДМ БЧ), делитель мощности сигналов "несущая плюс боковые частоты" (ДМ НБЧ), N трехдецибельных квадратурных направленных ответвителей (3 дБ НО), первый и второй входы которых развязаны между собой, N фазовращателей на 90°, дополнительно введены первый и второй направленные ответвители (НО), каждый из которых имеет первый и второй развязанные между собой входы, первый и второй выходы, N фазовращателей на 90°, первый фазовращатель на 90°, второй фазовращатель на 90°, при чем ДМ БЧ имеет один вход и N-1 выходов, ДМ НБЧ имеет один вход и N-1 выходов, при этом выход БЧ УК передатчика УК соединен с первым входом первого НО, а выход БЧ ШК передатчика ШК соединен со втором входом первого НО, первый выход первого НО соединен со входом ДМ БЧ, второй выход первого НО соединен последовательно с первым фазовращателем на 90° и с первым входом первого 3 дБ НО, выход НБЧ УК передатчика УК соединен с первым входом второго НО, а выход НБЧ ШК передатчика ШК соединен со вторым входом второго НО, первый выход второго НО соединен со входом ДМ НБЧ, второй выход второго НО соединен последовательно со вторым фазовращателем на 90° и со вторым входом первого 3 дБ НО,…, каждый (K-1)-ый выход ДМ БЧ соединен с первым входом K-ого 3 дБ НО (K=2, 3,…,N), каждый (K-1)-ый выход ДМ НБЧ соединен со вторым входом K-го 3 дБ НО, первый выход каждого 3 дБ НО соединен последовательно с фазовращателем на 90° и левым ИЭ АР, при этом номер 3 дБ НО совпадает с номером соединяемого с ним левым ИЭ, второй выход каждого 3 дБ НО соединен с правым ИЭ АР, при чем номер 3 дБ НО совпадает с номером соединяемого с ним правого ИЭ.

В другом варианте двухчастотный КРМ, содержащий передатчик УК с выходом БЧ УК и выходом НБЧ УК, передатчик ШК с выходом БЧ ШК и выходом НБЧ ШК, антенную решетку (АР) 1 с нечетным числом 2N+1 (N≥1) излучающих элементов (ИЭ): N левых ИЭ, N правых ИЭ и центральный ИЭ, делитель мощности сигнала "боковые частоты" (ДМ) БЧ, делитель мощности сигнала "несущая плюс боковые частоты" (ДМ НБЧ), N трехдецибельных квадратурных направленных ответвителей (3 дБ НО), у которых первый и второй входы развязаны между собой, N фазовращателей на 90° дополнительно содержит первый направленный ответвитель (НО) с первым и вторым развязанными между собой входами, первым и вторым выходами, второй направленный ответвитель с первым и вторым развязанными между собой входами, первым и вторым выходами, первый фазовращатель на 90° и второй фазовращатель на 180°, причем делитель мощности ДМ БЧ имеет один вход и N выходов, делитель мощности ДМ НБЧ имеет один вход и N выходов; при этом выход БЧ УК передатчика УК соединен с первым входом первого НО, а выход БЧ ШК передатчика ШК соединен со вторым входом первого НО, первый выход первого НО соединен со входом ДМ БЧ, второй выход первого НО соединен последовательно с первым фазовращателем на 90° и с первым входом первого 3-х дБ НО, первый выход ДМ БЧ соединен с первым входом второго 3-х дБ НО,…, (к-1)-ый выход ДМ БЧ соединен с первым плечом к-ого 3-х дБ НО,…, (N-1)-ый выход ДМ БЧ соединен с первым входом N-ого 3-х дБ НО; выход НБЧ УК передатчика УК соединен с первым входом второго НО, а выход НБЧ ШК передатчика ШК соединен со вторым входом второго НО, первый выход второго НО соединен со входом ДМ НБЧ, второй выход второго НО соединен последовательно со вторым фазовращателем на 180° и центральным ИЭ; первый выход ДМ НБЧ соединен со вторым входом первого 3-х дБ НО,…, к-ый выход ДМ НБЧ соединен со вторым входом к-го 3-х дБ НО,…, N-ый выход соединен со вторым входом N-ого 3-х дБ НО. Первый выход каждого 3-х дБ НО соединен последовательно с соответствующим фазовращателем на 90° и с левым ИЭ таким образом, что номер фазовращателя и номер 3-х дБ НО совпадают с номером соединенного с ними левого ИЭ; второй выход каждого из N 3-х дБ НО соединен с правым ИЭ АР таким образом, что номер 3-х дБ НО совпадает с номером соединенного с ним правого ИЭ.

При поступлении сигналов с выходов БЧ УК, НБЧ УК, БЧ ШК и НБЧ ШК на соответствующие входы устройства, их делении первым и вторым НО в заданном соотношении на два направления каждым, делении сигналов с заданным амплитудами ДН БЧ и ДН НБЧ, делении сигналов 3-х дБ НО на две равные доли, фазировании сигналов и излучении сигналов ИЭ АР в пространстве формируются четыре ДН: ДН для сигналов БЧ УК, НБЧ УК, БЧ ШК, НБЧ ШК. Складываясь в пространстве (с учетом ДН), сигналы в совокупности формируют требуемую зависимость информационного параметра (РГМ) от азимутального угла. В этой зависимости равенство РГМ нулю соответствует направлению продолжения оси ВПП. Сигнал с большей глубиной модуляции тоном 150 (90) Гц свидетельствует о том, что точка наблюдения находится справа (слева) от оси ВПП.

Введение в состав двухчастотного КРМ первого и второго НО, первого фазовращателя на 90° и второго фазовращателя на 90°, ДМ БЧ с одним входом и N-1 выходами, ДН НБЧ с одним входом и N-1 выходами (в отличие от прототипа, в котором ДМ БЧ и ДМ НБЧ делят сигнал на N выходов) и их соединение указанным выше образом позволило существенно сократить количество устройств двухчастотного КРМ:

- вместо двух отдельных делителей: ДМ БЧ УК на N направлений и ДМ БЧ ШК на N-1 направлений двухчастотный КРМ по настоящему изобретению содержит первый направленный ответвитель на два направления, первый фазовращатель на 90° и первом и втором вариантах двухчастотного КРМ - ДМ БЧ на N-1 направление;

- вместо двух отдельных делителей: ДМ НБЧ УК на N направлений и ДМ НБЧ ШК на N-1 направление двухчастотный КРМ по настоящему изобретению содержит второй направленный ответвитель на два направления, второй фазовращатель на 180° и ДМ БЧ на N-1 направлений в первом варианте и делитель на N направлений во втором варианте двухчастотного КРМ;

- исключены из состава двухчастотного КРМ 2N-2 сумматоров мощности.

По существу, в двухчастотном КРМ по настоящему изобретению реализован новый подход к распределению мощности передатчиков УК и ШК и формированию ДН.

В прототипе сигналы передатчиков УК и ШК на первом этапе делятся независимыми друг от друга четырьмя ДМ и на втором этапе попарно суммируются и далее поступают на входы суммарно-разностных устройств, с выхода которых поступают на ИЭ.

В двухчастотном КРМ по настоящему изобретению мощность сигналов УК и ШК на первом этапе предварительно делится на две части. Первая часть мощности упомянутых сигналов поступает непосредственно на пару ИЭ в первом варианте (например, на первый левый и первый правый или на второй левый и второй правый) или на центральный ИЭ во втором варианте, а вторые части мощностей сигналов суммируются друг с другом. На втором этапе просуммированные сигналы делятся общими ДМ, с выходов которых поступают на суммарно-разностные устройства, с выходов которых поступают на остальные ИЭ АР. Благодаря излучению первой части мощности формируется широкая ДН. Вследствие излучения сигналов 2N-2 ИЭ в первом варианте или 2N ИЭ во втором варианте двухчастотного КРМ формируется узкая ДН. Первая и вторая ДН являются парциальными ДН для соответствующих сигналов. Вследствие противофазности сигналов, излучаемых первой группой излучателей и второй группой излучателей, формируется ДН с "вырезкой". В результате для сигналов ШК формируются амплитудные ДН с узким "провалом" в окрестности направления - продолжения оси ВПП и пьедесталов за пределами этого узкого сектора.

Предложенные технические решения позволили решить ряд задач:

1) существенно упростить двухчастотный КРМ за счет более рационального выполнения устройства распределения мощности передатчиков УК и ШК по излучающим элементам антенной решетки,

2) снизить трудоемкость и стоимость изготовления двухчастотного КРМ,

3) уменьшить потери электромагнитной энергии в фидерном тракте двухчастотного КРМ,

4) уменьшить накопление ошибок в амплитудно-фазовом распределении сигналов по излучающим элементам АР,

5) упростить настройку двухчастотного КРМ при его изготовлении,

6) повысить целостность двухчастотного КРМ.

Решение первой задачи достигнуто за счет упрощения устройства распределения мощности в результате использования одного и того же делителя для деления как сигналов БЧ УК, так и для сигналов БЧ ШК (НБЧ УК и НБЧ ШК).

Решение второй задачи достигнуто за счет снижения количества устройств для распределения мощности.

Решение третьей задачи получено за счет исключения из состава устройства распределения мощности сумматоров мощности сигналов УК и ШК, в которых теряется в нагрузке 50% мощности, поступающей как на первый, так и второй вход.

Решение четвертой задачи достигнуто за счет сокращения количества элементов тракта на пути от передатчиков до ИЭ АР.

Решение пятой задачи получено, во-первых, за счет снижения количества элементов тракта в устройстве распределения мощности, во-вторых, за счет более рационального (более свободного) размещения элементов устройства распределения на объединяющей их плате.

Решение шестой задачи достигнуто за счет снижения количества соединительных кабелей в антенне двухчастотного КРМ.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена схема соединений двухчастотного КРМ по первому варианту настоящего изобретения.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:

1 - антенная решетка (АР) излучающих элементов (ИЭ); в обозначении ИЭ АР цифра на первой позиции указывает номер ИЭ при счете ИЭ от центра АР к ее краю, буква л(п) указывает на то, что ИЭ расположен левее (правее) центра АР; левая и правая стороны определяются наблюдателем, смотрящим в сторону АР и заходящего на посадку самолета, находясь сзади АР;

2 - первый направленный ответвитель (HO1);

3 - второй направленный ответвитель (HO2);

4 - первый фазовращатель (на 90° в первом и втором вариантах настоящего изобретения);

5 - второй фазовращатель (на 90° в первом варианте и на 180 во втором варианте по настоящему изобретению);

6 - делитель мощности сигнала "боковые частоты";

7 - делитель мощности сигнала "несущая плюс боковые частоты";

8 - трехдецибельные квадратурные направленные ответвители с первым входом и вторым входом, первым выходом и вторым выходом;

9 - фазовращатели (на 90°).

На фиг. 2 представлена другая схема соединений двухчастотного КРМ по первому варианту настоящего изобретения.

На фиг. 3 представлена схема соединений двухчастотного КРМ по второму варианту настоящего изобретения. На фиг. 3 дополнительно введено обозначение нулевого 0-го излучателя, расположенного в центре АР.

На фиг. 4 представлен в изометрии вариант исполнения антенной решетки излучающих элементов с общим рефлектором; приведена декартова система координат с началом в центре 0-го излучателя и полярная система координат с азимутальным углом φ, отсчитываемым от продолжения оси взлетно-посадочной полосы (ВПП); на фиг. 4 дополнительно введены обозначения:

10 - АР ИЭ с общим рефлектором,

11 - трубчатые проводники рефлектора АР.

На фиг. 5 приведены амплитудные ДН центрального вибратора (0-го вибратора):

101 - амплитудная ДН для сигнала НБЧ ШК , сформированная центральным вибратором в составе АР с общим рефлектором;

102 - амплитудная ДН для сигнала НБЧ ШК , сформированная центральным вибратором с общим рефлектором при отсутствии остальных вибраторов.

На фиг. 6 - приведены первая и вторая парциальная ДН и приближенная ДН для сигнала НБЧ ШК:

103 - вторая парциальная амплитудная ДН для сигнала НБЧ ШК, сформированная совместно 16-тью вибраторами: с первого по восьмой левыми и с первого по восьмой правыми вибраторами. Центральный вибратор нагружен на согласованную нагрузку;

101 - первая парциальная амплитудная ДН для сигнала НБЧ ШК, сформированная центральным вибратором. С первого по восьмой левые и с первого по восьмой правые вибраторы нагружены на согласованные нагрузки;

104 - приближенная ДН для сигнала НБЧ ШК, сформированная совместно первой (101) и второй (103) парциальными ДН.

На фиг. 7 - приведены фазовые ДН для сигнала НБЧ ШК:

105 - фазовая ДН для сигнала НБЧ ШК, сформированная центральным вибратором;

106 - фазовая ДН для сигнала НБЧ ШК, сформированная совместно 16-тью вибраторами: с первого по восьмой левыми и с первого по восьмой правыми вибраторами;

107 - зависимость от азимутального угла разности фаз сигнала НБЧ ШК, излученного центральным излучателем, и сигнала НБЧ ШК, излученного совместно 16-тью вибраторами: с первого по восьмой левым и с первого по восьмой правыми вибраторами.

На фиг. 8 приведены приближенная и точная амплитудные ДН для сигнала НБЧ ШК, при излучении всех 17-ти вибраторов:

104 - приближенная амплитудная ДН для сигнала НБЧ ШК,

108 - точная амплитудная ДН для сигнала НБЧ ШК.

На фиг. 9 приведены первая и вторая парциальные ДН и приближенная ДН для сигнала БЧ ШК:

109 - первая парциальная амплитудная ДН для сигнала БЧ ШК, сформированная первым левым и первым правым вибраторами. Со второго по седьмой левые и со второго по восьмой правые вибраторы нагружены на согласованные нагрузки;

110 - вторая парциальная амплитудная ДН для сигнала БЧ ШК, сформированная совместно 14-тью вибраторами: со второго по восьмой левыми и со второго по восьмой правыми вибраторами. Первый левый и первый правый вибраторы нагружены на согласованные нагрузки;

111 - приближенная амплитудная ДН для сигнала БЧ ШК, сформированная совместно шестнадцатью вибраторами.

На фиг. 10 приведены для сравнения приближенная и точная ДН для сигнала БЧ ШК:

111 - приближенная амплитудная ДН ,

112 - точная амплитудная ДН для сигнала БЧ ШК.

На фиг. 11 приведена зависимость 113 РГМ^шк от азимутального угла φ для сигнала ШК

На фиг. 12 приведены: амплитудная ДН для сигнала БЧ УК, формируемая АР из 16-ти вибраторов,

114 - амплитудная ДН для сигнала НБЧ УК, формируемая АР из 17-ти вибраторов,

115 - амплитудная ДН для сигнала БЧ УК, формируемая АР из 17-ти вибраторов.

На фиг. 13 приведена зависимость 116 РГМ^ук от азимутального угла φ для сигнала УК.

На фиг. 14 приведены для сравнения амплитудные ДН: для сигнала БЧ УК 115 и БЧ ШК 112.

На фиг. 15 приведены для сравнения амплитудные ДН: для сигнала НБЧ УК 114 и НБЧ ШК 108.

На фиг. 16 приведена зависимость 117 ΡΓΜ^Σ от азимутального угла φ при совместной работе УК и ШК.

В таблице 1 приведены задержки по фазе сигналов ШК и сигналов УК.

В таблице 2 приведено амплитудно-фазовое распределение токов сигнала ШК БЧ в АР.

В таблице 3 приведено амплитудно-фазовое распределение токов сигнала ШК НБЧ в АР.

В таблице 4 приведено амплитудно-фазовое распределение токов сигнала БЧ УК в АР.

В таблице 5 приведено амплитудно-фазовое распределение токов сигнала НБЧ УК в АР.

Осуществление изобретения

Обратимся теперь к фиг. 1, на которой представлена функциональная схема двухчастотного КРМ в соответствии с настоящим изобретением по первому варианту.

Представленный двухчастотный КРМ содержит передатчик УК (на фиг. 1 не показан) с выходом БЧ УК и выходом НБЧ УК, передатчик ШК (на фиг. 1 не показан) с выходом БЧ ШК и выходом НБЧ ШК, антенную решетку (АР) 1, включающую в себя N пар излучающих элементов (ИЭ): N левых (1л, 2л,…, Кл,…, Νл) и N правых (1п, 2п,…, Κп,…, Νп) ИЭ, первый направленный ответвитель (HO1) 2 и второй направленный ответвитель (HO2) 3, первые и вторые - плечи 21 и 23, 31 и 33, соответственно, которых развязаны, первый фазовращатель 4 на 90°, второй фазовращатель 5 на 90°, делитель мощности ДМ БЧ 6 с одним входом и N-1 (61, 62,…, 6(к-1),… 6(Ν-1)) выходами, делитель мощности ДМ НБЧ 7 с одним входом и N-1 (71, 72,…, 7(к-1),…, 7(Ν-1)) выходами, N трехдецибельных квадратурных направленных ответвителей (3-х дБ НО), N фазовращателей 9 (91, 92,…, 9Ν) на 90°. В приятых выше обозначениях ИЭ АР цифрой на первой позиции указан номер излучающего элемента при счете элементов от центра решетки к ее краю. Буква л(п) на второй позиции указывает на то, что элемент расположен слева (справа) от центра АР. На аэродроме двухчастотный КРМ установлен так, что центр АР находится на продолжении оси ВПП. А левая и правая стороны определяются наблюдателем, смотрящим в сторону заходящего на посадку самолета. При этом АР находится между наблюдателем и ВПП, т.е. наблюдатель смотрит на антенну с задней стороны.

В качестве передатчиков УК и ШК в настоящем изобретении могут быть применены, например, передатчики УК и ШК двухчастотного КРМ системы посадки СП-90.

В качестве ИЭ АР может быть использована широко применяемая в КРМ, например в двухчастотном КРМ системы посадки СП-90, логопериодическая антенна, либо антенна "волновой канал", либо вибратор с апериодическим рефлектором. В последнем случае все рефлекторы объединяются между собой, образуя общий экран.

В качестве HO1 2 и HO2 3 могут быть использованы широко применяемые в антенной технике квадратурные направленные ответвители (НО) на связанных линиях передачи с лицевой связью [Пименов Ю.В. и др. Техническая электродинамика / Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцев А.Д. Пол ред. Ю.В. Пименова: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 2000. - 536 с.]. НО представляет собой отрезок двух связанных между собой линий передачи, к которым присоединены подводящие (отводящие) линии передачи, называемые плечами НО. В НО различают основную и связанную линии передачи. Основная линия - это линия, на вход которой поступает сигнал. Связанная линия - это та линия, на которую за счет распределенной электромагнитной связи ответвляется некоторая доля энергии входного сигнала. В нашем описании плечо 21 HO1, на которое поступает сигнал БЧ УК, обозначено как первое плечо. Другое плечо 22 линии, которая является основной для сигнала БЧ УК, обозначено вторым плечом. Плечо 23 связанной линии, в которое не поступает мощность сигнала БЧ УК, обозначено третьим плечом (развязанное плечо). Плечо 24 связанной линии, в которое поступает ответвленная мощность сигнала БЧ УК, обозначено четвертым плечом. Для сигнала БЧ ШК основной линией является линия с плечами 23 и 24, а связанной с плечами 21 и 22.

Плечо 31 HO2, на которое поступает сигнал НБЧ УК, обозначено как первое плечо. Обозначения остальных плеч HO2 аналогичны обозначениям, принятым в отношении плеч первого HO1. Основной линией для сигналов НБЧ УК служит линия с плечами 31 и 32, а связанной - с плечами 33 и 34. Основной линией для сигналов НБЧ ШК служит линия с плечами 33 и 34, а связанной - с плечами 31 и 32.

В качестве первого 4 и второго 5 фазовращателей могут быть применены, например, четвертьволновые отрезки линии передачи. В качестве фазовращателей 9 также могут быть применены четвертьволновые отрезки линии передачи.

Делители мощности ДМ БЧ 6 с одним входом и N-1 выходами, делитель мощности ДМ НБЧ 7 с одним входом и N-1 выходами могут быть выполнены, например, на основе связанных полосковых или микрополосковых линий передачи. Методы расчета делителей мощности хорошо разработаны, а технология изготовления делителей мощности на полосковых и микрополосковых линиях хорошо отработана.

В качестве 3-х дБ квадратурных направленных ответвителей 8 могут быть применены ответвители на отрезках связанных линий длиной в четверть длины волны с лицевой связью. Обозначения плеч 3-х дБ квадратурных направленных ответвителей 8 анологичны обозначениям плеч HO1 и HO2.

Указанные устройства соединены между собой следующим образом.

Выход БЧ УК передатчика УК (на фиг. 1 не показан) соединен с первым плечом 21 HO1, выход БЧ ШК передатчика ШК (на фиг. 1 не показан) соединен с третьим плечом 23 HO1, второе плечо 22 HO1 соединено со входом ДМ БЧ, четвертое плечо 24 HO1 соединено последовательно с фазовращателем 4 и с первым плечом 811 первого 3-х дБ НО 81, первый выход 61 ДМ БЧ 6 соединен с первым плечом 821 второго 3-х дБ НО 82,…, 6(к-1)-ый выход ДМ БЧ соединен с первым плечом 8к1 к-ого 3-х дБ НО,…, 6(N-1) выход ДМ БЧ соединен с первым плечом 8N1 8N-ого 3-х дБ НО.

Выход НБЧ УК передатчика УК (на фиг. 1 не показан) соединен с первым плечом 31 HO2, выход НБЧ ШК передатчика ШК (на фиг. 1 не показан) соединен с третьим плечом 33 HO2, второе плечо 32 HO2 соединено с входом ДМ НБЧ, четвертое плечо 34 HO2 соединено последовательно со вторым фазовращателем 5 и со вторым плечом 812 первого 3-х дБ НО 81; первый выход 71 ДМ НБЧ соединен со вторым плечом 822 второго 3-х дБ НО 82,…, 7(к-1)-ый выход ДМ НБЧ соединен со вторым плечом 8к2 8к-ого 3-х дБ НО,…, 7(N-1) выход соединен со вторым плечом 8N2 8N-ого 3-х дБ НО. Третьи плечи 3-х дБ НО соединены последовательно с фазовращателями 9 на 90° и с левыми ИЭ таким образом, что номера фазовращателей и 3-х дБ НО совпадают с номерами левых соединенных с ними ИЭ; так, например, третье плечо 823 второго 3-х дБ НО 82 соединено с 92-ым фазовращателем и вторым левым излучателем …, третье плечо N-ого 3-х дБ НО 8N3 8N-го соединено с N-ым левым ИЭ, все N четвертых плеч 3-х дБ НО соединены с правыми ИЭ АР таким образом, что номер 3-х дБ НО совпадает с номером соединенного с ним ИЭ; так, например, четвертое плечо 814 второго 3-х дБ НО соединено со вторым правым ИЭ 2п,…, четвертое плечо N-го 3-х дБ НО соединено с N-ым правым ИЭ (Νп).

Двухчастотный КРМ работает следующим образом.

При описании работы двухчастотного КРМ будем в соответствии с функциональным назначением первое плечо 21 HO1 называть первым входом HO1, третье плечо 23 HO1 - вторым входом HO1, второе плечо 22 HO1 - первым выходом HO1, четвертое плечо 24 HO1 - вторым выходом HO1. Первое плечо 31 HO2 будем называть первым входом HO2, третье плечо 33 HO2 - вторым входом HO2, второе плечо 32 HO2 - первым выходом HO2, четвертое плечо 34 HO2 - вторым выходом HO2.

Первое плечо каждого 3-х дБ НО будем называть первым входом 3-х дБ НО. Второе плечо каждого 3-х дБ НО будем называть вторым входом 3-х дБ НО. Третье плечо каждого 3-х дБ НО будем называть первым выходом 3-х дБ НО. Четвертое плечо каждого 3-х дБ НО будем называть вторым выходом 3-х дБ НО.

Для простоты рассмотрения будем полагать, что все соединительные кабели имеют одну и ту же электрическую длину, делители мощности ДМ БЧ и ДМ НБЧ не вносят фазовых задержек; поэтому при рассмотрении фазового распределения токов в излучающих элементах их можно не принимать во внимание. Остается лишь учитывать тот факт, что при распространении волны по основной линии передачи происходит задержка волны на 90°, ответвленный сигнал на выходе связанной линии не испытывает задержки и поэтому его фаза совпадает с фазой сигнала, поступающего на вход основной линии.

Сигнал БЧ УК с выхода БЧ УК передатчика УК поступает на первый вход 21 HO1, с первого выхода 22 которого поступает на вход ДМ БЧ, а со второго выхода 24 поступает последовательно на фазовращатель 4 и на первый вход 811 первого 3-х дБ НО 81; с N-1 выходов ДМ БЧ сигнал БЧ УК с заданным ДМ БЧ амплитудным распределением поступает на первые входы N-1 3-х дБ НО таким образом, что сигнал с 6(к-1)-ого выхода ДМ БЧ поступает на первый 8к1 вход 8к-го 3-х дБ НО. С первых выходов каждого из N-1 3-х дБ НО сигнал БЧ УК поступает последовательно на фазовращатели 9 и на левые ИЭ; со вторых выходов каждого из N-1 3-х дБ НО сигнал БЧ УК поступает на правые ИЭ. При этом номер 3-х дБ НО совпадает с номером соединенных с ним левого и правого ИЭ.

Сигнал БЧ УК на первом выходе 22 HO1, а следовательно, при принятом выше допущении, на каждом из N-1 выходов ДМ БЧ запаздывает на 90° за счет распространения волны в основной (для сигнала БЧ УК) линии передачи HO1. Сигнал, поступающий на вход 811 со второго выхода 24 HO1, запаздывает на 90° за счет задержки в фазовращателе 4. В результате на первых входах всех 3-х дБ НО наблюдается синфазное распределение. При подаче сигналов на первые входы 3-х дБ НО 82 - 8N левые и правые ИЭ антенной решетки запитаны противофазно.

Диаграмма направленности (ДН) для сигнала БЧ УК представляет собой результат сложения двух парциальных Д Н. Первая парциальная ДН формируется в результате излучения первого левого и первого правого ИЭ. Первую парциальную ДН можно измерить, если от первого выхода 22 отсоединить ДМ БЧ и нагрузить выход 22 согласованной нагрузкой. Вторая парциальная ДН для сигнала БЧ УК формируется в результате излучения N-1 левых ИЭ и N-1 правых ИЭ. Вторую парциальную ДН можно измерить, если отсоединить от второго выхода 24 HO1 фазовращатель и подсоединить к выходу 24 согласованную нагрузку.

Первая парциальная ДН для сигнала БЧ УК имеет вид разностной ДН. Вторая парциальная ДН для сигнала БЧ УК также имеет вид разностной ДН.

Сигнал НБЧ УК с выхода НБЧ УК передатчика УК поступает на первый вход 31 HO2, с первого выхода 32 которого поступает на вход ДМ НБЧ, а со второго выхода 34 HO2 поступает последовательно на фазовращатель 5 и на второй вход 812 первого 3-х дБ НО 81; с N-1 выходов ДМ НБЧ сигнал БЧ УК с заданным ДМ НБЧ амплитудным распределением поступает на вторые входы N-1 3-х дБ НО таким образом, что сигнал с 7(к-1)-го выхода ДМ НБЧ поступает на второй вход 8к2 8к-го 3-х дБ НО. С первых выходов каждого из N-1 3-х дБ НО сигнал НБЧ УК поступает последовательно на фазовращатели 9 и на левые ИЭ; со вторых выходов каждого из 3-х дБ НО сигнал НБЧ УК поступает на правые ИЭ. При этом номер 3-х дБ НО совпадает с номером соединенных с ним левого и правого ИЭ.

Сигнал НБЧ УК на первом выходе 32 HO2, а следовательно, при принятом выше допущении, на всех N-1 выходах ДМ НБЧ запаздывает на 90° за счет распространения волны в основной для сигнала НБЧ УК линии передачи HO2. Сигнал, поступающий со второго выхода 34 HO2 на вход 812 первого 3-х дБ НО, запаздывает на 90° за счет задержки в фазовращателе 5. В результате на вторых входах всех N 3-х дБ НО создано синфазное распределение. Таким образом, при подаче сигналов на вторые входы 3-х дБ НО 81 - 8N левые и правые ИЭ антенной решетки запитаны синфазно. В результате в пространстве для сигнала НБЧ УК формируется диаграмма направленности суммарного вида.

Диаграмма направленности (ДН) для сигнала НБЧ УК представляет собой результат сложения двух парциальных ДН. Первая парциальная ДН формируется в результате излучения первого левого и первого правого ИЭ. Первую парциальную ДН можно измерить, если от первого выхода 32 HO2 отсоединить ДМ НБЧ и нагрузить выход 32 согласованной нагрузкой. Вторая парциальная ДН для сигнала НБЧ УК формируется в результате излучения N-1 левых ИЭ и N-1 правых ИЭ. Вторую парциальную ДН можно измерить, если отсоединить от второго выхода 24 HO2 фазовращатель и выход 24 соединить с согласованной нагрузкой. Первая и вторая амплитудные ДН имеют вид суммарной ДН. Результатом сложения первой и второй парциальных ДН является ДН суммарного вида.

В результате излучения одновременно сигналов БЧ УК и НБЧ УК в пространстве формируется сигнал узкого канала, в котором разность глубин модуляции в заданном секторе углов (зависящем от длины взлетно-посадочной полосы и расстояния между КРМ и порогом ВПП) линейным образом зависит от угла между продолжением оси ВПП и направлением на точку наблюдения. За пределами узкого сектора углов уровень боковых лепестков в разностной и суммарной ДН находится в пределах от минус двадцати до минус тридцати дБ.

Сигнал БЧ ШК поступает с выхода БЧ ШК передатчика ШК на второй вход 23 HO1, с первого выхода 22 которого поступает на вход ДМ БЧ 6, а со второго выхода 24 поступает последовательно на фазовращатель 4 и на первый вход 811 первого 3-х дБ НО 81; с N-1 выходов ДМ БЧ сигнал БЧ ШК с заданным ДМ БЧ амплитудным распределением поступает на первые входы N-1 3-х дБ НО. С первых выходов каждого из N-1 3-х дБ НО сигнал БЧ ШК поступает последовательно на фазовращатели 9 и на левые ИЭ; со вторых выходов каждого из N-1 3-х дБ НО сигнал БЧ ШК поступает на правые ИЭ.

Сигнал БЧ ШК на первом выходе HO1, а следовательно, и на всех N-1 выходах ДМ БЧ находится в фазе с сигналом на втором входе 23 HO1. Сигнал, поступающий со второго выхода 24 HO1, запаздывает на 90° за счет распространения волны в основной линии передачи HO1 для сигнала БЧ ШК и, кроме того, запаздывает на 90 за счет задержки в фазовращателе 4. В результате на входе первого 3-х дБ НО сигнал запаздывает на 180° относительно сигнала на входе всех остальных N-1 3-х дБ НО. При подаче сигнала на 3-х дБ НО 82 - 8N с первых входов левые и правые излучающие элементы антенной решетки запитаны противофазно. При подаче сигнала на первый 3-х дБ НО 81 сигналы в первом левом и первом правом излучателях также противофазны. При этом сигнал, излучаемый совместно первым левым и первым правым излучающими элементами, в пространстве противофазен сигналу, излучаемому совместно левыми и правыми излучателями (за исключением первого левого и первого излучателей). Диаграмму направленности антенны для сигнала БЧ ШК можно представить как сумму двух парциальных диаграмм направленности. Первая парциальная диаграмма направленности формируется в результате совместного излучения первого левого и первого правого ИЭ. Эта диаграмма имеет разностный вид с широкими лепестками. Вторая парциальная ДН формируется в результате излучения N-1 левых и N-1 правых ИЭ. Вторая парциальная диаграмма направленности также имеет разностный вид. Диаграмма направленности для сигнала БЧ ШК (синтезированная, по принятой терминологии в теории синтеза антенн по заданной диаграмме направленности) получается в результате вычитания из первой парциальной диаграммы направленности второй парциальной диаграммы направленности. В результате вычитания второй парциальной ДН из первой парциальной ДН формируется ДН сигнала БЧ ШК разностного вида с малым уровнем излучения в узком секторе углов относительно направления нормали к антенной решетке и широкими лепестками за пределами этого сектора.

Сигнал НБЧ ШК с выхода НБЧ ШК передатчика ШК поступает на второй вход 33 HO2, с первого выхода 32 которого поступает на вход ДМ НБЧ, а со второго выхода 34 поступает последовательно на фазовращатель 5 и на второй вход 812 первого 3-х дБ НО 81; с N-1 выходов ДМ НБЧ сигнал НБЧ ШК поступает на вторые входы соответствующих 3-х дБ НО. С первых выходов каждого из N 3-х дБ НО сигнал НБЧ ШК поступает последовательно на фазовращатели 9 и на левые ИЭ; со вторых выходов каждого из N-1 3-х дБ НО сигнал НБЧ ШК поступает на правые ИЭ, причем номер 3-х дБ НО совпадает с номером соединенных с ним левого и правого излучателей.

Сигнал НБЧ ШК на первом выходе 32 HO2, а следовательно, и на всех N-1 выходах ДМ НБЧ, находится в фазе с сигналом на входе 33 второго HO2. Сигнал, поступивший со второго выхода 34 HO2, запаздывает на 90° за счет распространения волны в основной линии передачи HO2 для сигнала НБЧ ШК и, кроме того, запаздывает на 90 за счет задержки в фазовращателе 5. В результате на входе первого 3-х дБ НО сигнал НБЧ ШК запаздывает на 180° относительно сигналов на входе всех остальных N-1 3-х дБ НО.

При подаче сигналов на вторые входы 3-х дБ НО 82 - 8N (822-8N2) левые и правые ИЭ АР 1 запитаны синфазно. При подаче сигнала на второй вход первого 3-х дБ НО 81 сигналы в первом левом и первом правом ИЭ также синфазны. При этом сигнал, излучаемый совместно первым левым и первым правым ИЭ, в пространстве противофазен сигналу, излучаемому совместно N-1 левыми и N-1 правыми ИЭ. Диаграмму направленности антенны для сигнала НБЧ ШК можно представить как сумму двух парциальных диаграмм направленности. Первая парциальная диаграмма направленности формируется в результате совместного излучения первого левого и первого правого ИЭ. Эта диаграмма имеет вид суммарной ДН с широкими лепестками. Вторая парциальная ДН формируется в результате совместного излучения N-1 левых и N-1 правых ИЭ. Вторая парциальная ДН также имеет вид суммарной ДН с узким лепестком и малым уровнем боковых лепестков. Диаграмма направленности для сигнала НБЧ ШК получается в результате вычитания из первой парциальной ДН второй парциальной ДН. В результате вычитания второй парциальной ДН из первой парциальной ДН формируется ДН сигнала НБЧ ШК суммарного вида с малым уровнем излучения в узком секторе углов в окрестности направления φ=0 и широкими лепестками за пределами этого сектора.

В результате излучения одновременно сигналов БЧ ШК и НБЧ ШК в пространстве формируется сигнал широкого канала, в котором разность глубин модуляции в заданном секторе углов (зависящем от длины взлетно-посадочной полосы и расстояния между КРМ и торцом ВПП), пренебрежимо мала в узком секторе углов в окрестности направления φ=0. За пределами узкого сектора зависимость РГМ от азимутального угла имеет форму пьедестала с заданным уровнем.

Делители мощности БЧ УК и НБЧ УК обеспечивают амплитудное распределение сигналов, необходимое для формирование требуемых ДН и зависимости РГМ от азимутального угла для сигналов узкого канала и зависимость РГМ от азимутального угла для сигналов широкого канала.

Как известно, при одновременном приеме на борту сигналов узкого и широкого каналов наблюдается так называемый "эффект захвата", заключающийся в том, что более сильный сигнал подавляет слабый сигнал. В результате бортовой аппаратурой формируется суммарная зависимость РГМ от азимутального угла с линейной зависимостью в пределах узкого сектора и постоянным значением РГМ за пределами указанного сектора.

В рассмотренном выше двухчастотного КРМ первая парциальная ДН сформирована в результате излучения сигналов первым левым и первым правым ИЭ. В другом двухчастотном КРМ (фиг. 2) первая парциальная ДН сформирована в результате излучения сигналов вторым левым и вторым правым ИЭ.

Обратимся теперь к фиг. 3, на которой представлена функциональная схема двухчастотного КРМ в соответствии с настоящим изобретением по второму варианту.

Представленный двухчастотный КРМ по второму варианту содержит передатчик УК (на фиг. 3 не показан) с выходом БЧ УК и выходом НБЧ УК, передатчик ШК (на фиг. 3 не показан) с выходом БЧ ШК и выходом НБЧ ШК, антенную решетку (АР) 1 с нечетным числом 2Ν+1 ИЭ: с N левых (11л, 12л,… 11кл,… 1Nл), N правых (11п, 12п,… 11кп,… 1Νп) ИЭ и центральным ИЭ, обозначенным нулевым ИЭ (0-ым ИЭ), первый направленный ответвитель (HO1) 2 и второй направленный ответвитель (HO2) 3, у которых первые и вторые плечи 21 и 23, 31 и 33, соответственно, развязаны, первый фазовращатель 4 на 90°, второй фазовращатель 5 на 180°, делитель мощности ДМ БЧ 6 с одним входом и N-1(61, 62,…, 6(к-1),… 6(Ν-1)) выходами, делитель мощности ДМ НБЧ 7 с одним входом и N (71, 72,…, 7(к-1),…, 7Ν) выходами, N 3 dБ квадратурных направленных ответвителя (3 дБ НО), N фазовращателей 9 (91, 92,…, 9N) на 90°. На аэродроме КРМ установлен так, что центральный ИЭ находится на продолжении оси ВПП.

Указанные устройства соединены между собой следующим образом.

Выход БЧ УК передатчика УК (на фиг. 3 не показан) соединен с первым плечом 21 HO1, выход БЧ ШК передатчика ШК (на фиг. 3 не показан) соединен с третьим плечом 23 HO1, второе плечо 22 HO1 соединено со входом ДМ БЧ, четвертое плечо 24 HO1 соединено последовательно с фазовращателем 4 и с первым плечом 811 первого 3-х дБ НО 81, первый выход 61 ДМ БЧ 6 соединен с первым плечом 821 второго 3-х дБ НО 82,…, 6(к-1)-ый выход ДМ БЧ соединен с первым плечом 8к1 к-ого 3-х дБ НО,…, 6(N-1) выход ДМ БЧ соединен с первым плечом 8N-ого 3-х дБ НО.

Выход НБЧ УК передатчика УК (на фиг. 8 не показан) соединен с первым плечом 31 HO2, выход НБЧ ШК передатчика ШК (на фиг. 8 не показан) соединен с третьим плечом 33 HO2, второе плечо 32 HO2 соединено с входом ДМ НБЧ, четвертое плечо 34 HO2 соединено последовательно со вторым 5 фазовращателем на 180° и центральным ИЭ; первый выход 71 ДМ НБЧ соединен со вторым плечом 812 первого 3-х дБ НО 81,…, 7к-ый выход ДМ НБЧ соединен со вторым плечом 8к-го 3-х дБ НО,…, 7N выход соединен со вторым плечом 8N-ого 3-х дБ НО. Третьи плечи 3-х дБ НО соединены последовательно с фазовращателями на 90° и с левыми ИЭ таким образом, что номера фазовращателей и 3-х дБ НО совпадает с номерами левых соединенных с ними ИЭ; так, например, третье плечо 813 первого 3-х дБ НО 81 соединено последовательно с 91-ым фазовращателем на 90° и 1-ым левым ИЭ 1 л, третье плечо 823 второго 3-х дБ НО 82 соединено с 92-ым фазовращателем на 90° и вторым ИЭ 2л,…, третье плечо N-ого 3-х дБ НО 8N соединено с N-ым левым ИЭ Nл. Все N четвертые плечи 3-х дБ НО соединены с правыми ИЭ АР таким образом, что номер 3-х дБ НО совпадает с номером соединяемого с ним ИЭ; так, например, четвертое плечо 814 первого 3-х дБ НО соединено с первым правым излучателем 1п,…, четвертое плечо N-го 3-х дБ НО соединено с N-ым правым ИЭ (Nп).

Работа второго варианта двухчастотного КРМ в отношении сигналов БЧ УК и БЧ ШК аналогична работе первого варианта двухчастотного КРМ. Отличие заключается в формировании ДН для сигналов НБЧ УК и НБЧ ШК. ДН для сигналов НБЧ УК представляет собой суперпозицию двух парциальных ДН, первая из которых формируется в результате излучения N левых и N правых ИЭ АР, а вторая - в результате излучения центрального ИЭ АР. В результате суммирования упомянутых парциальных ДН формируется ДН для сигналов НБЧ УК суммарного вида с узким главным лепестком и с малым уровнем боковых лепестков.

ДН для сигналов НБЧ ШК также представляет собой суперпозицию двух парциальных ДН; в результате формируется ДН суммарного вида с "провалом" в окрестности направления φ=0, с пьедесталом справа и слева от упомянутого "провала".

Достоинством второго варианта антенны является то, что в этом варианте обеспечивается более широкая зона действия двухчастотного КРМ по широкому каналу по сравнению с зоной действия двухчастотного КРМ по первому варианту.

Пример реализации двухчастотного КРМ по второму варианту

При описании примера реализации по второму варианту настоящего изобретения будем обращаться к функциональной схеме на фиг. 3.

Представленный в настоящем примере реализации двухчастотного КРМ содержит передатчик УК (на фиг. 3 не показан) с выходом БЧ УК и выходом НБЧ УК, передатчик ШК (на фиг. 3 не показан) с выходом БЧ ШК и выходом НБЧ ШК, антенную решетку (АР) 1 с нечетным числом ИЭ: с восемью левых (1л, 2л,… Кл,…, 8л), восемью правых (1п, 2п,…, Кп,…, 8п) ИЭ и центральным ИЭ, обозначенным на фиг. 3 нулевым ИЭ (0-ым ИЭ), первый направленный ответвитель (HO1) 2 и второй направленный ответвитель (HO2) 3, у каждого из которых первые и третьи плечи 21 и 23, 31 и 33, соответственно, развязаны, первый фазовращатель 4 на 90° и второй фазовращатель 5 на 180°, делитель мощности ДМ БЧ 6 с одним входом и 7-ю (61, 62,…, 6(к-1),…, 67) выходами, делитель мощности ДМ НБЧ 7 с одним входом и 8-ю (71, 72,…, 7(к-1),…, 78) выходами, восемь трехдецибельных квадратурных направленных ответвителей (3 дБ НО), восемь фазовращателей 9 (91, 92,…, 98) на 90°, соединительные кабели (на фиг. 3 не обозначены). На аэродроме КРМ установлен так, что центральный ИЭ находится на продолжении оси ВПП.

Для определенности в качестве ИЭ применен вибратор с рефлектором. Вибратор выполнен из трубки диаметром 20 мм. Вибратор согласован с 50 Ом-ным коаксиальным кабелем. При моделировании вибратор возбуждается сосредоточенным источником с 50 Ом-ным внутренним сопротивлением. Рефлектор выполнен единым для всех вибраторов в виде решетчатого экрана из ряда параллельных трубок диаметром 20 мм. Расстояние между трубками в экране равно 200 мм.

Указанные устройства соединены между собой следующим образом.

Выход БЧ УК передатчика УК (на фиг. 3 не показан) соединен с первым плечом 21 HO1, выход БЧ ШК передатчика ШК (на фиг. 3 не показан) соединен с третьим плечом 23 HO1, второе плечо 22 HO1 соединено со входом ДМ БЧ 6, четвертое плечо 24 соединено последовательно с фазовращателем 4 на 90° и с первым плечом 811 первого 3-х дБ НО 81, первый выход 61 ДМ БЧ 6 соединен с первым плечом 821 второго 3-х дБ НО 82,…, 6(к-1)-ый выход ДМ БЧ соединен с первым плечом 8к1 к-ого 3-х дБ НО,…, 67 выход ДМ БЧ соединен с первым плечом 88-ого 3-х дБ НО.

Выход НБЧ УК передатчика УК (на фиг. 3 не показан) соединен с первым плечом 31 HO2, выход НБЧ ШК передатчика ШК (на фиг. 3 не показан) соединен с третьим плечом 33 HO2, второе плечо 32 HO2 соединено с входом ДМ НБЧ 7, четвертое плечо 34 HO2 соединено последовательно со вторым фазовращателем 5 на 180° и центральным (нулевым) ИЭ; первый выход 71 ДМ НБЧ 7 соединен со вторым плечом 812 первого 3-х дБ НО 81,…, 7к-ый выход ДМ НБЧ соединен со вторым плечом 8к-го 3-х дБ НО,…, 78 выход соединен со вторым плечом 88-ого 3-х дБ НО. Третьи плечи 3-х дБ НО соединены последовательно с фазовращателями на 90° и с левыми ИЭ таким образом, что номера фазовращателей и номера 3-х дБ НО совпадают с номерами левых соединенных с ними ИЭ: третье плечо 813 первого 3-х дБ НО 81 соединено последовательно с 91-ым фазовращателем и 1-ым левым ИЭ 1 л, третье плечо 823 второго 3-х дБ НО 82 соединено с 92-ым фазовращателем на 90° и вторым левым ИЭ 2л,…, третье плечо 8-ого 3-х дБ НО 88 соединено с 8-ым левым ИЭ 8л. Все четвертые плечи 3-х дБ НО соединены с правыми ИЭ АР таким образом, что номер 3-х дБ НО совпадает с номером соединенного с ним ИЭ; так, например, четвертое плечо 814 первого 3-х дБ НО соединено с первым правым излучателем 1п,…, четвертое плечо 8-го 3-х дБ НО соединено с 8-ым правым ИЭ 8п.

Для определенности предположим, что мощность каждого из сигналов: БЧ УК, НБЧ УК, БЧ ШК, НБЧ ШК равна 1 Вт. Коэффициент связи α₁ первого направленного ответвителя HO1 равен минус 23,7, коэффициент связи α₂ второго направленного ответвителя HO2 равен минус 13 дБ. При анализе работы двухчастотного КРМ будем пользоваться ненормированными ДН.

Рассмотрим работу двухчастотного КРМ по широкому каналу.

В соответствии с ранее принятым допущением при описании работы двухчастотного КРМ будем в соответствии с функциональным назначением первое плечо 21 HO1 называть первым входом HO1, третье плечо 23 HO1 (развязанное с первым плечом 21) вторым входом HO1, второе плечо 22 HO1 - первым выходом HO1, четвертое плечо 24 HO1 - вторым выходом HO1. Первое плечо 31 HO2 будем называть первым входом HO2, третье плечо 33 HO2 (развязанное с первым плечом 31) - вторым входом HO2, второе плечо 32 HO2 - первым выходом HO2, четвертое плечо 34 HO2 - вторым выходом HO2. Первое плечо каждого 3-X дБ НО будем называть первым входом 3-х дБ НО. Второе плечо каждого 3-х дБ НО будем называть вторым входом 3-х дБ НО. Третье плечо каждого 3-х дБ НО будем называть первым выходом 3-х дБ НО. Четвертое плечо каждого 3-х дБ НО будем называть вторым выходом 3-х дБ НО.

Фазы сигналов ШК и УК на входе ИЭ

Для простоты рассмотрения будем полагать, что все соединительные кабели имеют одну и ту же электрическую длину, делители мощности ДМ БЧ и ДМ НБЧ не вносят фазовых задержек; поэтому при рассмотрении фазового распределения токов в излучающих элементах соединительные кабели, ДМ БЧ и ДМ НБЧ можно не принимать во внимание. Остается лишь учитывать тот факт, что при распространении волны по основной линии передачи происходит задержка волны на 90°, ответвленный же сигнал на выходе связанной линии не испытывает задержки и поэтому его фаза совпадает с фазой сигнала, поступающего на вход основной линии для данного сигнала.

Сигнал НБЧ ШК с выхода НБЧ ШК передатчика ШК поступает на второй вход 33 HO2, с первого выхода 32 которого поступает на вход ДМ НБЧ 7, а со второго выхода 34 поступает последовательно на фазовращатель 5 на 90° и на центральный (нулевой, 0-ой) ИЭ; с 71-го по 78-ой выходов ДМ НБЧ 7 сигнал НБЧ ШК поступает на вторые входы 3-х дБ НО с соответствующими номерами (71→812,…, 78→882). С первых выходов каждого из 8-ми 3-х дБ НО сигнал НБЧ ШК поступает последовательно на фазовращатели 9 на 90° и на левые ИЭ; со вторых выходов каждого из 8-ми 3-х дБ НО сигнал НБЧ ШК поступает на правые ИЭ, причем номер 3-х дБ НО совпадает с номером соединенных с ним левого и правого ИЭ.

Сигнал НБЧ ШК на первом выходе 32 HO2, а следовательно, и на всех 8-ми выходах ДМ НБЧ находится в фазе с сигналом на входе 33 второго HO2. Сигнал, поступивший со второго выхода 34 HO2, запаздывает на 90° за счет распространения волны в основной линии передачи HO2 для сигнала НБЧ ШК и, кроме того, на пути к центральному излучателю запаздывает на 180° за счет задержки в фазовращателе 5 на 180°. В результате на входе центрального излучателя сигнал НБЧ ШК запаздывает на 270° относительно сигнала на входе 33. При принятой зависимости процессов от времени по закону e^iωt фаза запаздывающего сигнала имеет отрицательный знак.

При подаче сигнала НБЧ ШК с ДМ НБЧ на вторые входы 3-х дБ НО 81-88 (812-882) сигнал на пути к левым ИЭ запаздывает на 90° за счет прохождения через один из фазовращателей на 90°; на пути к правым ИЭ сигнал запаздывает на 90° за счет прохождения четвертьволнового отрезка основной линии для сигнала НБЧ ШК в 3-х дБ НО. Таким образом, все левые и все правые ИЭ АР 1 запитаны синфазно, при этом запаздывание сигнала НБЧ ШК на входе ИЭ равно 90°.

Сигнал БЧ ШК с выхода БЧ ШК передатчика ШК поступает на второй вход 23 HO1, с первого выхода 22 которого поступает на вход ДМ БЧ 6, а со второго выхода 24 поступает последовательно на фазовращатель 4 на 90° и на первый вход 811 первого 3-х дБ НО 81; с 61-го по 67-й выходов ДМ БЧ 6 сигнал БЧ ШК поступает на первые входы 3-х дБ НО с номерами, превышающими номер выхода ДМ БЧ на единицу (61→82,…, 67→88). С первых выходов каждого из 8-ми 3-х дБ НО сигнал БЧ ШК поступает последовательно на фазовращатели 9 на 90° и на левые ИЭ; со вторых выходов каждого из 8-ми 3-х дБ НО сигнал БЧ ШК поступает на правые ИЭ, причем номер 3-х дБ НО совпадает с номером соединенных с ним левого и правого ИЭ.

Сигнал БЧ ШК на первом выходе 22 HO1, а следовательно, и на всех 7-ми выходах ДМ БЧ находится в фазе с сигналом на входе 23 первого HO2. Сигнал, поступивший со второго выхода 24 HO1, запаздывает на 90° за счет распространения волны в основной линии передачи для сигнала БЧ ШК в HO1 и, кроме того, запаздывает на пути к первому 3-х дБ НО на 90° за счет задержки в фазовращателе 4 на 90°. В результате на входе первого 3-х дБ НО сигнал БЧ ШК запаздывает на 180° относительно сигнала на входе плеча 23.

При подаче сигналов на первые входы 3-х дБ НО 81-88 (812-882) левые и правые ИЭ АР 1 запитаны противофазно: на пути к левым ИЭ сигнал запаздывает на 90° в основной для сигнала БЧ ШК линии в 3 дБ НО и задерживается в фазовращателе 9, а сигнал БЧ ШК на пути к правым ИЭ ответвляется в 3 дБ НО без изменения фазы.

Задержки сигналов ШК а так же сигналов УК (найденные аналогичным образом) приведены в таблице 1. Для простоты дальнейшего анализа выполнена нормировка фазы. Предположено, что на входе HO1 и HO2 начальная фаза колебаний сигналов ШК равна плюс 270°, начальная фаза колебаний сигналов УК равна плюс 180°.

Амплитудно-фазовое распределение сигналов в ИЭ и расстояние ИЭ от центра АР приведено в таблицах 2-5.

Диаграммы направленности

Для вычисления ДН были использованы два численных метода. Первый численный метод основан на решении интегрального уравнения для плотности тока на вибраторах и трубках экрана в тонкопроволочном приближении, учитывающий взаимное влияние вибраторов друг на друга и с экраном, реализованный в программе MMANA [И.В. Гончаренко. Антенны KB и УКВ. Часть 1. Компьютерное моделирование. MMANA. - М.: ИП РадиоСофт, Журнал "Радио". - 2004 -128 с]. Второй численный метод основан на строгом решении краевой задачи электродинамики временным методом [Weiland, Т.: А Discretization Method for the Solution of Maxwell′s Equations For Six-Component Fields: Electronics and Communication, (AEÜ), Vol. 31, pp. 116-120, 1977]. Применение первого и второго методов для нахождения комплексных (амплитудных и фазовых) ДН рассматриваемой ниже антенны дает близкие друг к другу результаты, совпадающие между собой с графической точностью. Поскольку расчет в программе MMANA требует меньше времени, то ниже приведены результаты, полученные в этой программе, которые и приняты за точные значения комплексных ДН. Кроме того, предложено и получено приближенное решение, которое приведено для пояснения сути изобретения.

Приближенное решение рассмотрим на примере вычисления ДН для сигналов ШК. Сначала рассмотрим формирование комплексной ДН антенны для сигнала НБЧ ШК В первом приближении можно представить как сумму двух парциальных комплексных ДН: и.

Первая парциальная комплексная ДН формируется в результате излучения электромагнитных волн центральным (0-ым) вибратором. При этом предполагается, что сигнал НБЧ ШК поступает от передатчика с внутренним сопротивлением 50 Ом только на центральный вибратор. Амплитуда сигнала НБЧ ШК непосредственно от передатчика на остальных 16-ти вибраторах равна нулю; упомянутые остальные вибраторы нагружены на согласованные 50 Ом-ные нагрузки.

Вторая парциальная ДН формируется в результате совместного излучения электромагнитных волн 16-ти вибраторов: 8 левых и 8 правых вибраторов. При этом предполагается, что сигнал НБЧ ШК поступает только на указанные вибраторы. Амплитуда сигнала НБЧ ШК непосредственно от передатчика на центральном вибраторе равна нулю; центральный вибратор нагружен на согласованную 50 Ом-ную нагрузку.

При указанном выше приближенном методе вычисления комплексной диаграммы для сигнала НБЧ ШК с помощью парциальных ДН не в полной мере учитывается взаимное влияние всех 17 вибраторов друг на друга.

Амплитудная ДН центрального вибратора с экраном приведена на фиг. 5. Амплитудная ДН , представленная сплошной линией 101, имеет в переднем полупространстве вид одного широкого лепестка. Небольшой провал в ДН в окрестности направления φ=0 объясняется влиянием остальных 16 излучателей, которые возбуждаются в результате излучения центрального вибратора. (Для сравнения пунктирной линией 102 приведена ДН центрального вибратора с общим для всех вибраторов экраном в предположении, что остальные 16 вибраторов отсутствуют. Как видно из рассмотрения графика, амплитудная ДН в этом случае имеет вид широкого лепестка без провала в центре).

Амплитудная ДН , формируемая в результате совместного излучения 16-ти вибраторов: 8-ми левых и 8-ми правых вибраторов, представлена пунктирной линией 103 на фиг. 6. ДН имеет вид суммарный ДН с узким главным лепестком и малым уровнем бокового излучения.

Приближенная ДН , сформированная совместно первой и второй парциальными ДН, представлена на фиг. 6 непрерывной линией 104.

Для пояснения принципа формирования приближенной ДН рассмотрим поведение фазовых ДН. Фазовая ДН , представленная пунктирной линией 105 на фиг. 7, (равно как и все представленные ниже фазовые ДН) вычислена относительно точки, в которой расположен центральный вибратор. График функции в декартовой системе координат в области имеет вид параболы с вершиной при φ=0. Функция принимает значение, равное примерно плюс 70,8° при φ=0 и значение плюс 120° при φ=±75°. Отличие графика функции от горизонтальной прямой линии и отличие значение функции от нуля при φ=0 свидетельствуют о том, что точка расположения центрального вибратора не является фазовым центром антенны в виде вибратора с экраном.

Фазовая ДН , представленная штрихпунктирной линией 106 на фиг. 7, имеет вид ступенчатой функции. В пределах главного лепестка фаза имеет постоянное значение, равное 255,6°. Фаза сигнала испытывает скачок, примерно на 180°, при переходе от главного лепестка к правому (или левому) боковому лепестку.

Диаграмма направленности для сигнала НБЧ ШК получается в результате сложения первой комплексной парциальной ДН и второй комплексной парциальной ДН :

.

Как видно из рассмотрения графика 107 зависимости разности фаз от азимутального угла, представленной непрерывной линией 107 на фиг. 7, в пределах главного лепестка амплитудной парциальной ДН разность фаз равна 180°. За пределами упомянутого главного лепестка сигнал, излучаемый центральным вибратором, и сигнал, излучаемый совместно 8-ю левыми и 8-ю правыми вибраторами, практически синфазны. Таким образом, искомая амплитудная ДН в пределах упомянутого главного лепестка является результатом вычитания амплитудной ДН из амплитудной ДН и результатом сложения упомянутых диаграмм за его пределами, взятых с соответствующими нормирующими множителями. В результате формируется амплитудная ДН для сигнала НБЧ ШК суммарного вида с малым уровнем излучения в узком секторе углов в окрестности направления φ=0 и широкими лепестками за пределами этого сектора, представленная непрерывной линией 104 на фиг 6.

Для сравнения на фиг. 8 приведена упомянутая приближенная амплитудная ДН для сигнала НБЧ ШК и точная амплитудная ДН для сигнала НБЧ ШК антенны с 17 вибраторами, вычисленная с учетом взаимного влияния всех 17 вибраторов друг на друга через внешнее пространство с расположенным в нем экраном.

Как видно из сравнения графиков на фиг. 8, отличие результатов приближенного решения и точного решения практически мало. Однако приближенное решение имеет преимущество: оно наглядно демонстрирует суть технического предложения по формированию ДН. А именно, центральный вибратор в присутствии экрана формирует широкую ДН. Восемь левых и восемь правых вибраторов совместно в присутствии экрана формируют узкую ДН с малым уровнем бокового излучения. Благодаря противофазному возбуждению центрального вибратора и семейства из восьми левых и восьми правых вибраторов в итоге формируется широкая ДН с вырезкой в узком секторе углов в азимутальной плоскости и в виде пьедестала слева и пьедестала справа от упомянутого сектора.

Перейдем теперь к рассмотрению вопроса о формировании комплексной ДН антенны для сигнала БЧ ШК . Комплексную ДН также можно представить как сумму двух комплексных парциальных ДН: и .

Первая комплексная парциальная ДН формируется в результате излучения электромагнитных волн двумя вибраторами: первым левым и первым правым вибраторами. При этом предполагается, что сигнал БЧ ШК поступает только на два вибратора: на первый левый и на первый правый вибраторы. Амплитуда сигнала БЧ ШК непосредственно от передатчика на остальных 14-ти вибраторах равна нулю; вибраторы нагружены на согласованные 50 Ом-ные нагрузки.

Вторая парциальная ДН формируется в результате совместного излучения электромагнитных волн 14-ти вибраторов: 7-ми левых и 7-ми правых вибраторов. При этом предполагается, что сигнал БЧ ШК поступает только на указанные вибраторы. Амплитуда сигнала БЧ ШК непосредственно от передатчика на первом левом и первом правом вибраторах равна нулю; первый левый и первый правый вибраторы нагружены на согласованные 50 Ом-ные нагрузки.

Первая амплитудная ДН , представленная пунктирной линией 109 на фиг. 9, имеет форму разностной ДН, а именно, имеет лепестковую структуру с нулевым значением в направлении φ=0. Максимумы двух широких лепестков находятся под углами ±20°. Ширина каждого из двух главных лепестков ДН на уровне минус 3 дБ составляет 21°. Интерференционные минимумы ДН находятся при φ>=±50°. Ширина упомянутых лепестков, положение максимумов и интерференционных лепестков определяется расстоянием в длинах волн между первым левым и первым правым вибраторами.

Амплитудная ДН , представленная штрихпунктирной линией 110 на фиг. 9, имеет вид разностной ДН с узкими главными лепестками [(-8°, 0°) и (0°, 8°)] и малым уровнем бокового излучения за пределами указанных лепестков: при и при . Ширина главных лепестков на уровне минус 3 ДБ составляет примерно 3,5°.

Диаграмма направленности для сигнала БЧ ШК получается в результате сложения первой комплексной парциальной ДН для сигнала БЧ ШК и второй комплексной парциальной ДН для сигнала БЧ ШК:

.

В результате формируется амплитудная ДН для сигнала БЧ ШК разностного вида с малым уровнем излучения в узком секторе углов в окрестности направления φ=0 и широкими лепестками за пределами этого сектора, представленная непрерывной линией 111 на фиг. 9.

Для сравнения на фиг. 10 приведены приближенная 111 и точная 112 ДН для сигнала БЧ ШК. Как видно из сопоставления графиков на фиг. 10, отличие приближенной и точной ДН практически не значительно. Алгоритм получения приближенной ДН позволяет наглядно представить суть предложенного технического решения по формированию ДН для сигнала БЧ ШК. Благодаря ответвлению некоторой доли электромагнитной энергии передатчика с выхода БЧ ШК с помощью HO1, распределению ее ДМ БЧ и последующему излучению 14-ю вибраторами в пространстве формируется узкий луч сигнала БЧ ШК. Основная доля электромагнитной энергии передатчика с выхода БЧ ШК проходит по основной линии HO1, делится на два направления и излучается 2-мя вибраторами, формируя в пространстве широкий луч разностного вида для сигнала БЧ ШК. В результате противофазного сложения широкого и узкого лучей формируется луч разностного вида с некоторым участком в окрестности φ=0, на котором уровень сигнала близок к нулю.

Для получения упомянутого участка необходимо выполнение равенства первых производных функций (и , если рассматривается точное решение) справа и слева при φ=0, которое выполняется, если:

где A_n - амплитуда тока в n-ом вибраторе,

d_n - расстояние между n-ым вибратором и центром антенной решетки.

На фиг. 11 приведена зависимость РГМ^шк(φ) от азимутального угла φ в широком канале (кривая 113). Как видно из рассмотрения графика 113, в пространстве формируется РГМ с большим уровнем в секторе углов (-35°, +35°), за исключением окрестности направления φ=0.

На фиг. 12 приведены амплитудная ДН для сигнала НБЧ УК и БЧ УК:

114 - амплитудная ДН для сигнала НБЧ УК, формируемая АР из 17-ти вибраторов.

115 - амплитудная ДН для сигнала НБЧ УК, формируемая АР из 17-ти вибраторов.

На фиг. 13 приведена зависимость 116 РГМ^ук от азимутального угла φ для сигнала УК.

На фиг. 14 приведены для сравнения амплитудные ДН для сигналов БЧ: БЧ УК и БЧ ШК. Как видно из рассмотрения графиков, в окрестности направления φ=0 уровень сигнала НБЧ ШК существенно меньше уровня сигнала НБЧ УК и существенно превышает последний за его пределами.

На фиг. 15 приведены для сравнения амплитудные ДН для сигналов НБЧ: НБЧ УК и НБЧ ШК. Как видно из рассмотрения графиков, в окрестности направления φ=0 сигнал НБЧ ШК существенно слабее сигнала НБЧ УК и существенно превышает его за пределами упомянутой окрестности.

На фиг. 16 приведена зависимость 117 ΡΓΜ^Σ от азимутального угла φ, наблюдаемая на выходе бортового приемного устройства при совместной работе УК и ШК. Величина РГМ вычислена по точным формулам для значений РГМ, приведенным на стр. 60 статьи авторов [Войтович Н.И., Жданов Б.В., Зотов А.В. Моделирование работы двухчастотной инструментальной системы посадки самолетов. // Вестник ЮУрГУ Серия "Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника".. 2013, том 13, №4]. При этом учтено явление "захвата" (capture effect): подавление слабого сигнала сильным сигналом.

Как видно из рассмотрения графика 117, ΡΓΜ^Σ (φ) изменяется в зависимости от угла φ практически по линейному закону в пределах узкой зоны и сохраняет значение, большее 20% за пределами упомянутой зоны.

Область применения

Двухчастотный курсовой радиомаяк по настоящему изобретению позволяет получить характеристики по 3-й категории международной организации гражданской авиации на аэродромах, на которых нет крупных искусственных сооружений (здание аэровокзала, ангары и др.) и самолетов на стоянках, попадающих в узкую зону двухчастотного КРМ. Основной технический результат предложенного технического решения заключается в упрощении двухчастотного КРМ за счет более рационального выполнения устройства распределения мощности передатчиков УК и ШК по излучающим элементам АР, снижении трудоемкости изготовления двухчастотного КРМ, уменьшении потерь электромагнитной энергии в фидерном тракте КРМ, упрощении настройки двухчастотного КРМ при его изготовлении, повышении целостности двухчастотного КРМ.

Изобретение относится к радиомаячным системам для обеспечения инструментального захода на посадку и посадки самолетов. Достигаемый технический результат - упрощение аппаратуры, снижение потерь электромагнитной энергии, уменьшение накопления ошибок в амплитудно-фазовом распределении сигналов. Указанный результат достигается за счет того, что двухчастотный курсовой радиомаяк (КРМ) содержит передатчик узкого канала (УК), передатчик широкого канала (ШК), антенную решетку (АР), состоящую в первом варианте КРМ из N пар (N≥1) излучающих элементов (ИЭ): N левых ИЭ и N правых ИЭ (относительно продолжения оси взлетно-посадочной полосы), АР с нечетным числом 2N+1 (N≥1) излучающих элементов (ИЭ), а также: N левых ИЭ, N правых ИЭ и центрального ИЭ во втором варианте КРМ, N трехдецибельных квадратурных направленных ответвителей, N фазовращателей на 90° во втором варианте КРМ, первый и второй направленные ответвители (НО), первый фазовращатель на 90° и второй фазовращатель на 90° в первом варианте и первый фазовращатель на 90° и второй фазовращатель на 180° во втором варианте, делитель мощности сигнала "боковые частоты", делитель мощности сигнала "боковые частоты плюс несущая". 2 н.п. ф-лы, 16 ил., 5 табл.

1. Двухчастотный курсовой радиомаяк, содержащий передатчик узкого канала с выходом "боковые частоты" и выходом "несущая плюс боковые частоты", передатчик широкого канала с выходом "боковые частоты" широкого канала и выходом "несущая плюс боковые частоты" широкого канала, антенную решетку, состоящую из N пар (N≥1) излучающих элементов: N левых излучающих элементов и N правых излучающих элементов с номерами от 1 до N, отсчитываемых от центра антенной решетки к ее краям, N трехдецибельных квадратурных направленных ответвителей, первый и второй входы которых развязаны между собой, N фазовращателей на 90°, отличающийся тем, что дополнительно содержит первый и второй направленные ответвители, каждый из которых имеет первый и второй развязанные между собой входы, и первый и второй выходы, первый фазовращатель на 90° и второй фазовращатель на 90°, делитель мощности сигнала "боковые частоты" с одним входом и N-1 выходами, делитель мощности сигнала "несущая плюс боковые частоты" с одним входом и N-1 выходами, при этом выход "боковые частоты" узкого канала передатчика узкого канала соединен с первым входом первого направленного ответвителя, а выход "боковые частоты" широкого канала передатчика широкого канала соединен со вторым входом первого направленного ответвителя, первый выход первого направленного ответвителя соединен со входом делителя мощности сигнала "боковые частоты", второй выход первого направленного ответвителя соединен последовательно с первым фазовращателем на 90° и с первым входом первого трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя, выход "несущая плюс боковые частоты" узкого канала передатчика узкого канала соединен с первым входом второго направленного ответвителя, а выход "несущая плюс боковые частоты" широкого канала передатчика широкого канала соединен со вторым входом второго направленного ответвителя, первый выход второго направленного ответвителя соединен с входом делителя мощности "несущая плюс боковые частоты", второй выход второго направленного ответвителя соединен последовательно со вторым фазовращателем на 90° и со вторым входом первого трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя, каждый (К-1)-й выход делителя мощности сигнала "боковые частоты" соединен с первым входом К-го трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя (К=2, 3, …, N), каждый (К-1)-й выход делителя мощности сигнала "несущая плюс боковые частоты" соединен со вторым входом К-го трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя, первый выход каждого трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя соединен последовательно с фазовращателем на 90° и левым излучающим элементом антенной решетки, при этом номер трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя совпадает с номером соединенного с ним излучающего элемента, второй выход каждого трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя соединен с правым излучающим элементом антенной решетки, при этом номер трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя совпадает с номером соединенного с ним правого излучающего элемента.

2. Двухчастотный курсовой радиомаяк, содержащий передатчик узкого канала с выходом "боковые частоты" узкого канала и выходом "несущая плюс боковые частоты" узкого канала, передатчик широкого канала с выходом "боковые частоты" широкого канала и выходом "несущая плюс боковые частоты" широкого канала, антенную решетку с нечетным числом 2N+1 (N≥1) излучающих элементов: с N левых излучающих элементов, N правых излучающих элементов и центральным излучающим элементом, N трехдецибельных квадратурных направленных ответвителей, у которых первый и второй входы развязаны между собой, N фазовращателей на 90°, отличающийся тем, что дополнительно содержит первый направленный ответвитель с первым и вторым развязанными между собой входами, первым и вторым выходами, второй направленный ответвитель с первым и вторым развязанными между собой входами, первым и вторым выходами, первый фазовращатель на 90°, второй фазовращатель на 180°, делитель мощности сигнала "боковые частоты" с одним входом и N-1 выходами, делитель мощности сигнала "несущая плюс боковые частоты" с одним входом и N выходами; при этом выход "боковые частоты" узкого канала передатчика узкого канала соединен с первым входом первого направленного ответвителя, а выход "боковые частоты" широкого канала передатчика широкого канала соединен со вторым входом первого направленного ответвителя, первый выход первого направленного ответвителя соединен со входом делителя мощности сигнала "боковые частоты", второй выход первого направленного ответвителя соединен последовательно с первым фазовращателем на 90° и с первым входом первого трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя, первый выход делителя мощности сигнала "боковые частоты" соединен с первым входом второго трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя, …, (N-1)-й выход делителя мощности сигнала "боковые частоты" соединен с первым плечом к-го трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя, …, (N-1)-й выход делителя мощности сигнала "боковые частоты" соединен с первым плечом N-го трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя; выход "несущая плюс боковые частоты" узкого канала передатчика узкого канала соединен с первым входом второго направленного ответвителя, а выход "несущая плюс боковые частоты" широкого канала передатчика широкого канала соединен со вторым входом второго направленного ответвителя, первый выход второго направленного ответвителя соединен со входом делителя мощности "несущая плюс боковые частоты", второй выход второго направленного ответвителя соединен последовательно со вторым фазовращателем на 180° и центральным излучающим элементом; первый выход делителя мощности сигнала "несущая плюс боковые частоты" соединен со вторым входом первого трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя, к-й выход делителя мощности сигнала "несущая плюс боковые частоты" соединен со вторым входом к-го трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя, ..., N-й выход соединен со вторым входом N-го трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя; первый выход каждого трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя соединен последовательно с соответствующим фазовращателем на 90° и с левым излучающим элементом таким образом, что номер фазовращателя на 90° и номер трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя совпадают с номером соединенного с ним левого излучающего элемента; второй выход каждого из N трехдецибельных квадратурных направленных ответвителей соединен с правым излучающим элементом антенной решетки таким образом, что номер трехдецибельного квадратурного направленного ответвителя совпадает с номером соединенного с ним правого излучающего элемента.