Устройство формирования мощных широкополосных радиоимпульсов на волноводно-щелевых мостах Российский патент 2018 года по МПК H01Q21/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в радиотехнических системах различного назначения и, в частности, в радиолокации для повышения разрешающей способности РЛС по дальности и распознаванию объектов.

Уровень техники

Среди известных устройств мощного импульсного СВЧ излучения особое место занимают генераторы на основе пучков релятивистских электронов (релятивистские клистроны и магнетроны, ЛОВ, генераторы на эффекте Черенкова). В настоящее время на их основе возможно создание генераторов с рекордной мощностью более 10⁹ Вт и с длительностью импульсов от единиц до десятков наносекунд. Однако эти генераторы имеют низкий КПД (10-20%), что негативно сказывается на их тактико-технических характеристиках. К тому же низкий КПД влечет за собой использование более мощного источника первичного питания.

Одним из возможных направлений получения мощных коротких импульсов с длительностью 1…10 не является способ временной компрессии СВЧ импульсов (см. Ю.Г. Юшков и др. Наносекундный радиолокатор с временной компрессией СВЧ импульсов передатчика - журнал «Электромагнитные волны электронные системы», №6, т. 2, стр. 71…76, 1997 г.), суть которого состоит в накоплении энергии электромагнитного поля в резонаторе, возбуждаемом от генератора, работающего в режиме относительно длинных импульсов, и быстром выводе из него запасенной энергии за время, намного меньшее, чем время накопления. В этом случае происходит увеличение пиковой мощности выходных импульсов по сравнению с мощностью возбуждающего генератора. Коэффициент усиления может достигать 10²-10³. Однако устройства с временной компрессией имеют значительные потери энергии и требуют наличия сложных коммутирующих устройств, и поэтому на практике они не нашли широкого применения.

Из известных мощных широкополосных устройств СВЧ диапазона близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в работе (см. Н.В. Воробьев, В.А. Грязнов и др. Принцип пространственно-временного преобразования многочастотного сигнала для формирования мощных сверширокополосных радиоимпульсов - Радиотехника, 1998 г., №2), и устройство, представленное в патенте на изобретение (см. Н.В. Воробьев, В.А. Грязнов и др. «Устройство формирования мощных широкополосных импульсных сигналов на антенной решетке отражательного типа», патент №2285317, Заявка: 2004106579/09 от 09.03.2004).

Основой построения этих устройств является многочастотная антенная решетка с пространственно-временным преобразованием многочастотного сигнала. Наиболее близким прототипом изобретения по технической сущности является устройство (см. Н.В. Воробьев, В.А. Грязнов и др. Принцип пространственно-временного преобразования многочастотного сигнала для формирования мощных сверширокополосных радиоимпульсов - Радиотехника, 1998 г., №2), структурная схема которого приведена на фиг. 1. Устройство состоит из системы формирования сетки синхронизированных по фазе частот (1), сумматора сигналов разных частот (2), линий задержки (3), управляемых фазовращателей (4) и фазируемой антенной решетки (ФАР) (5). Основой построения сумматора являются многочастотная передающая антенная решетка (6) и приемная антенная решетка (7), разнесенные между собой на расстояние R. Частоты сигналов по элементам многочастотной решетки располагаются в порядке возрастания или убывания, а величина дискрета частоты Δƒ между соседними элементами решетки является постоянной величиной. Наличие на элементах решетки переменной фазы с постоянным приращением Δϕ_n~n⋅2πΔƒ⋅t приведет к сканированию диаграммы направленности в пространстве. Этот эффект хорошо известен и используется при создании обзорных РЛС.

Сканирующая диаграмма направленности многочастотной антенной решетки последовательно облучает входные элементы приемной антенны, формируя в каждом элементе импульс длительностью примерно равной времени прохождения луча апертуры приемного элемента. Линии задержки компенсируют образовавшееся запаздывание сигнала τ₃ между элементами приемной антенны и обеспечивают одновременный приход сигналов к выходным элементам ФАР (5). Это позволяет увеличивать импульсную мощность за счет накопления энергии в линиях задержки за время, равное периоду сканирования многочастотной антенной решетки. При таком построении реализуется распределенный вывод энергии, что значительно снижает вероятность возникновения разрядов в антенно-фидерном тракте. Максимальная полная мощность излучения во всех выходных элементах ФАР без учета потерь, излучаемая М элементами ФАР при M=N, оказывается равной Р=N²P₀, где N - число элементов многочастотной антенной решетки, Р₀ - мощность одного частотного канала (1).

В таких устройствах требуемая ширина полосы частот ~(N-1)Δƒ при высокой импульсной мощности достигается за счет применения разнесенных по частоте сигналов на Δƒ, а изменением числа каналов и частоты разноса между ними можно формировать сигналы с заданными параметрами (длительность импульсов, частота повторения импульсов, ширина полосы частот).

Существенным фактором, ограничивающим возможности широкого применения данного изобретения, является крупногабаритная конструкция сумматора сигналов разных частот со сложной электродинамической структурой и значительные потери мощности в сумматоре.

Будем считать, что антенные решетки сумматора помещены в плоский металлический экран, размером соответствующий излучающему раскрыву передающей и раскрыву приемной антенных решеток.

Для оценки габаритных размеров сумматора воспользуемся соотношением R=L_прд⋅L_F/λ₀, где L_F - линейный размер фокальной области сфокусированного сканирующего СВЧ луча, λ₀ - средняя длина волны.

Из соотношения следует, что минимальное расстояние между антенными решетками не может быть меньше линейного размера передающей антенной решетки, т.е. R_min=L_прд, а реально оно должно быть значительно больше. Оценки показывают, что при N=10, λ₀=8 см размер сумматора составит несколько метров. Уменьшения размера будет приводить к увеличению потерь и уменьшению импульсной мощности. Потери мощности в рассматриваемом прототипе обусловлены наличием боковых лепестков диаграммы направленности многочастотной антенной решетки и отражений от стенок сумматора. Они приводят к заметному шумоподобному фону между импульсами и к снижению пиковой мощности. С учетом потерь пиковая мощность может стать заметно меньше N²P₀.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является снижение потерь и уменьшение массогабаритных характеристик устройства формирования мощных широкополосных радиоимпульсов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из системы формирования сетки синхронизированных по фазе сигналов разных частот (1), сумматора сигналов (2), линий задержки (3), управляемых фазовращателей (4) и фазируемой антенной решетке (5), сумматор разночастотных сигналов (2), построенный на основе многочастотной антенной решетки и приемной антенны, заменяется многоканальным волноводно-щелевым сумматором.

Использование многоканального волноводно-щелевого сумматора выгодно отличает его от указанного прототипа, особенно при относительно небольшом числе частотных каналов, так как такая конструкция сумматора в основном состоит из волноводов и нескольких однотипных трехдецибельных волноводно-щелевых мостов, объединенных в единый конструктив. Такая конструкция сумматора становится значительно более компактной, имеет небольшой внутренний объем, проще и дешевле в изготовлении. В такой конструкции максимальная напряженность электрического поля приходится на выходные трехдецибельные мосты, а задача поддержания требуемой электрической прочности решается путем заполнения элегазом только выходных трехдецибельных мостов под определенным давлением. В многоканальном волноводно-щелевом сумматоре распределение сигналов разных частот по каналам достигается с помощью последовательного деления мощности на волноводно-щелевых мостах. Если фазовое распределение на каждой частоте таково, что направления всех лучей совпадают, то поле излучения также имеет вид луча, угловая ширина которого совпадает с угловой шириной луча одной частоты, а во временном представлении излучение имеет вид коротких импульсов - биений. Максимальная мощность излучения во всех выходных каналах за счет перераспределения энергии во времени оказывается без учета потерь равной N²P₀. Длительность формируемых импульсов составит τ≈1/(N-1)Δƒ, а при скважности равной N, время накопления t_н~1/Δƒ, то длина линий задержки оказывается порядка с/Δƒ.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Структурная схема устройства, реализующего принцип пространственно-временного преобразования многочастотного сигнала на фазированных антенных решетках проходного типа.

Фиг. 2 - Структурная схема предложенного устройства формирования мощных широкополосных радиоимпульсов на волноводно-щелевых мостах.

Осуществление изобретения

На фиг. 2 изображена схема предлагаемого устройства, состоящего из системы формирования сетки синхронизированных по фазе сигналов разных частот (1), многоканального волноводно-щелевого сумматора (2), линий задержки (3), управляемых фазовращателей (4) и фазируемой антенной решетки (5), четырех трехдецибельных мостов (8).

Предлагаемое устройство на примере четырехканального сумматора работает следующим образом. Синхронизированные по фазе сигналы разных частот подаются на N входных каналов сумматора, имеющего N выходных каналов, причем в каждом выходном канале сигнал является суммой всех входных сигналов с синхронизированными фазами. Фазовая синхронизация сигналов на выходе сумматора достигается с помощью фазовращателей и отрезков волноводов. С выхода сумматора (2) сигналы подаются на линии задержки (3), далее на излучатели ФАР. Устройство включает в себя четырехканальный сумматор, который состоит из входных фазовращателей, четырех трехдецибельных мостов (8), волноводных вставок длиной 11 и 12. Сигнал с выходного плеча первого моста должен попасть на входное плечо четвертого моста. Такая перекрестная схема подачи сигналов может быть реализована или с помощью моста с полной связью, или с помощью волноводной разводки. Сигнал частоты поступает на первое плечо первого моста, затем через волноводные секции и вставку подается на плечи третьего и четвертого трехдецибельных мостов и через волноводные линии задержки поступает на вход ФАР. Представленное устройство аналогично диаграммообразующей матрице Батлера, используемой для формирования многолучевых (одночастотных) антенн (Сканирующие антенные системы СВЧ / Под ред. Р.С. Хансена, т. 3. - М.: Сов. радио, 1971 г.). Аналогичным образом можно построить восьмиканальный сумматор, который будет состоять из двух четырехканальных сумматоров и четырех трехдецибельных мостов.

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в радиотехнических системах различного назначения, например в радиолокации для повышения разрешающей способности РЛС. Техническим результатом является получение мощных импульсных широкополосных излучений СВЧ диапазона с меньшими потерями и массогабаритными характеристиками. Технический результат достигается тем, что в устройство формирования мощных широкополосных радиоимпульсов на основе волноводно-щелевых мостов, содержащее сетку синхронизированных по фазе сигналов разных частот, линии задержки и фазируемую антенную решетку, введен многоканальный волноводно-щелевой сумматор сигналов разных частот, состоящий из входных фазовращателей, трехдецибельных волноводно-щелевых мостов и волноводных вставок, обеспечивающий сложение всех N входных разночастотных сигналов в каждом выходном канале с синхронизированными фазами, при этом максимальная мощность излучения во всех выходных каналах за счет перераспределения энергии во времени без учета потерь равна N²P₀. 2 ил.

Устройство формирования мощных широкополосных радиоимпульсов на основе волноводно-щелевых мостов, содержащее сетку синхронизированных по фазе сигналов разных частот, линии задержки и фазируемую антенную решетку, отличающееся тем, что в него введен многоканальный волноводно-щелевой сумматор сигналов разных частот, состоящий из входных фазовращателей, трехдецибельных волноводно-щелевых мостов и волноводных вставок, обеспечивающий сложение всех N входных разночастотных сигналов в каждом выходном канале с синхронизированными фазами, при этом максимальная мощность излучения во всех выходных каналах за счет перераспределения энергии во времени без учета потерь равна N²P₀.