Сверхширокополосный многочастотный радиолокатор с активной фазированной антенной решеткой и пониженным уровнем боковых лепестков в сжатом сигнале Российский патент 2020 года по МПК G01S7/02 G01S13/08 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Название изобретения

Сверхширокополосный многочастотный радиолокатор с активной фазированной антенной решеткой и пониженным уровнем боковых лепестков в сжатом сигнале.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в различных радиолокационных системах, где требуется высокое разрешение по дальности.

Уровень техники

Известны сверхширокополосных (СШП) РЛС с активной фазированной решеткой (АФАР) [1]. В передающих каналах АФАР могут быть использованы традиционные усилительные приборы СВЧ диапазона (клистроны, амплитроны, транзисторные усилители). Недостатком таких РЛС является ограниченная полоса частот усилителей мощности, а, значит, ограниченная разрешающая способность. Например, полоса одного из мощных широкополосных усилительных приборов - ламп бегущей волны (ЛБВ) непрерывного действия не превышает одну октаву в диапазоне частот 1…4 ГГц, а с повышением рабочей частоты становится еще меньше. Полоса частот мощных импульсных ЛБВ не превышает 1 ГГц при рабочей частоте 15 ГГц [2].

Наиболее близким устройством по технической сущности является СШП радиолокатор с активной многочастотный антенной решеткой, который выбран в качестве прототипа [3]. Увеличение полосы частот и разрешающей способности локатора по дальности достигается за счет того, что СШП сигнал формируется из узкополосных или широкополосных сигналов, излучаемых и принимаемых разными элементами АФАР. Узкополосные (широкополосные) сигналы формируются с помощью фазовой или частотной модуляции (манипуляции) несущей [4].

Недостатком прототипа является высокий уровень боковых лепестков в принимаемом сигнале.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является снижение уровня боковых лепестков в принимаемом СШП локатором сигнале.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1.

Структурная схема прототипа представлена на фиг. 2.

В состав прототипа входят приемо-передающие элементы АФАР (15), согласующие устройства (14), приемо-передающие активные модули (4), суммирующее устройство (3), выходное устройство (21). Для обеспечения взаимной когерентности несущие частоты сигналов ƒ_k=ƒ₁+Δƒ (k-1), поступающих с активных модулей (AM) на приемо-передающие элементы в режиме излучения, формируются от общего опорного генератора (22). Здесь ƒ₁ - нижняя несущая частота; Δƒ - интервал между несущими частотами, k=1…N, N - количество несущих излучаемого многочастотного сигнала. Сигнал с частотой ƒ_оп поступает на AM через распределительную систему опорного сигнала (23). Генераторы фазовой модуляции (манипуляции) (25) используют опорный сигнал, поступающий с опорного генератора модулирующих сигналов (26) через распределительную систему опорного сигнала модулирующих сигналов (27). Фазовая модуляция (частотную модуляцию можно рассматривать как ее частный случай) осуществляется с полосой частот B_k≤Δƒ на каждой несущей частоте ƒ_k. В результате вся полоса частот РЛС будет равна Сигнал импульсной амплитудной модуляции поступает на AM с генератора импульсной модуляции (11) через распределительную систему (12).

Нормированный по максимуму график огибающей принятого сигнала на выходе одного AM после согласованной фильтрации для времени ±75 не от максимума огибающей в случае линейной частотной модуляции (ЛЧМ) показан пунктиром на фиг. 3. Расчет производился для полосы частот В=2 ГГц при N=21 и длительности сигнала Т=1 мкс. Выражение, описывающее график, может быть представлено в виде [3]:

где τ - время; β=2πB_k/Т - скорость изменения частоты в полосе B_k.

Сплошной линией на фиг. 3 показан нормированный график огибающей суммы сигналов на выходе суммирующего устройства при условии равенства амплитуд сигналов на выходе активных модулей. Фрагмент этого графика для диапазона времени ±7 не изображен сплошной линией на фиг. 4. Выражение для огибающей суммы сигналов каналов решетки имеет вид:

где Δω=2π Δƒ.

При равенстве амплитуд сигнала на всех частотах ƒ_k максимальный уровень боковых лепестков (УБЛ) равен -13,2 дБ. Максимальный УБЛ может быть снижен путем весовой обработки сигналов с несущими ƒ_k. Так при взвешивании по Тейлору максимальный УБЛ будет равен -40 дБ, по Хеммингу - -43 дБ [4]. Однако при взвешивании происходит расширение главного лепестка сигнала. Если для равноамплитудного распределения по частотам длительность главного лепестка по уровню -3 дБ равна 0,886/5, то для взвешивания по Тейлору она составляет 1,2Б/В, а для взвешивания по Хеммингу - 1,3/В.

С целью снижения максимального УБЛ без использования весовой обработки предлагается дополнительно ввести не менее одной АФАР, построенной по схеме прототипа, и устройство умножения. Общее количество АФАР таким образом будет равно М. При этом сигналы с выхода сумматоров (3) поступают не на вход выходного устройства (21), а на входы устройства умножения (29), выход которого соединен с выходным устройством (21). Огибающая сигнала на выходе устройства умножения описывается выражением

Таким образом, максимальный УБЛ будет равен - 13,2М дБ. На фиг. 5, фиг. 6 пунктиром показана нормированная огибающая сигнала на выходе одного сумматора для указанных выше параметров, сплошной линией - нормированная огибающая сигнала на выходе устройства умножения для М=3. При этом максимальный УБЛ сравним с УБЛ получаемом при взвешивании по Тейлору, а длительность главного лепестка сжатого зондирующего ЛЧМ сигнала уменьшается приблизительно 2 раза, что позволяет в два раза увеличить разрешение по дальности.

Описание чертежей

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства.

На фиг. 2 представлена схема прототипа.

На фиг. 3, фиг. 4 пунктиром показана нормированная огибающая ЛЧМ сигнала на выходе активного модуля прототипа при суммарной полосе частот сигнала В=2 ГГц, количестве частот N=21 и длительности сигнала T=1 мкс, сплошной линией показана огибающая сигнала на выходе суммирующего устройства прототипа, для времени ±75 нс от максимума огибающей. Расчетный интервал времени для фиг. 3 составляет ±75 нс, для фиг. 4 - ±7 нс.

На фиг. 5, фиг 6 пунктиром показана нормированная огибающая сигнала на выходе суммирующего устройства одной АФАР, сплошной линией нормированная огибающая сигнала на выходе устройства умножения для времени ±7 нс и ±0,25 нс, соответственно.

Осуществление изобретения

Предлагаемый радиолокатор содержит М активных ФАР (не менее двух). В состав каждой ФАР входят приемо-передающие элементы АФАР (15), согласующие устройства (14), активные модули (4), суммирующее устройство (3), выходное устройство (21), опорный генератор (22), распределительную систему опорного сигнала (23), опорный генератор модулирующих сигналов (26), распределительную систему опорного сигнала модулирующих сигналов (27), генератор сигнала импульсной модуляции (11), распределительную систему сигнала импульсной модуляции (12) (фиг. 1). Активный модуль содержит возбудитель частоты ƒ_k=ƒ₁+Δƒ(k-1) (1), фазовращатель (5), фазовый модулятор (24), генератор фазовой модуляции (манипуляции) (25), первый и второй предварительные усилители (7) и (9), первый управляемый аттенюатор (8), усилитель мощности (10), переключатель «прием-передача» (13), защитное устройство приемного тракта (16), первый и второй малошумящие усилители (17) и (19), согласованный фильтр (18), второй управляемый аттенюатор (20), управляемую линия задержки (28). Сигналы с выходов активных модулей (4) поступают на входы суммирующих устройств (3), а с выходов суммирующих устройств на входы устройства умножения (29). Выход устройства умножения соединен со входом выходного устройства.

Устройство работает следующим образом.

Возбудитель (1) каждого активного модуля (4) генерирует сигнал несущей частоты ƒ_k=ƒ₁+Δƒ(k-1), k=1…N. Когерентность этих частот обеспечивается синхронизацией всех возбудителей с помощью общего опорного генератора (22), сигнал которого поступает на возбудители всех активных модулей через распределительную систему опорного сигнала (23). Так как предлагаемый радиолокатор состоит из М ФАР, сигнал с несущей частотой ƒ_k будут генерировать возбудители М активных модулей

Фазовращатели (5) нужны для формирования диаграммы направленности радиолокатора. При этом максимумы ДН всех М активных ФАР должны быть совпадать по направлению в пространстве.

Синхронная фазовая модуляция всех несущих частот ƒ_k достигается использованием общего опорного генератора модулирующих сигналов (26), сигнал с которого через распределительную систему опорного сигнала модулирующих сигналов (27) поступает на генераторы сигнала фазовой модуляции (25) всех активных модулей локатора, а с этих генераторов на фазовые модуляторы (24) этих модулей.

Полученный фазомодулированный сигнал усиливается предварительными усилителями (7) и через первые управляемые аттенюаторы (8) каждого активного модуля и вторые предварительные усилители (9) поступает на усилители мощности (10). Импульсная модуляция передаваемого сигнала осуществляется синхронно для всех активных модулей с помощью общего генератора импульсной модуляции (11) и общей распределительной системы сигнала импульсной модуляции (12), выходы которой соединены со входом сигнала модуляции усилителя мощности (10) каждого активного модуля.

Сформированный сигнал излучается приемо-передающими элементами (15) антенной решетки которые подключены к активным модулям (4) с помощью согласующих устройств (14). Режим работы локатора осуществляется с помощью переключателей «прием-передача» (13).

В режиме приема работает приемный тракт активных модулей, состоящий из защитного устройства (16), первого малошумящего усилителя (17), согласованного фильтра (18), второго малошумящего усилителя (19), второго управляемого аттенюатора (20) и управляемой линии задержки (28). Согласованный фильтр осуществляет сжатие принятого сигнала модулированного по фазе (частный случай фазовой модуляции - ЛЧМ).

Принимаемый сигнал каждой из М активных решеток локатора получается стандартным способом - суммированием сигналов с выходов всех N активных модулей, входящих в состав этой решетки, в суммирующем устройстве (3). Снижение уровня боковых лепестков в принятом сигнале получается с помощью устройства умножения (29), которое перемножает сигналы с выхода всех М активных решеток, входящих в состав устройства.

Выходное устройство (21) предназначено для преобразования полученного сигнала, содержащего полезную информацию в форму, удобную для получателя этой информации.

Библиографические данные

1. Гостюхин В.Л., Трусов В.Н., Гостюхин Ф.В. Активные фазированные антенные решетки / Под ред. В.Л. Гостюхина. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Радиотехника, 2011. с. 19.

2. Генераторы и усилители СВЧ / Под ред. И.В. Лебедева. - М.: «Радиотехника», 2005. с. 123 таблица 3.3., с. 47 таблица 1.9.

3. Васильев А.В., Верба B.C., Воробьев Н.В., Грязнов В.А., Силкин А.Т. Сверхширокополосный радиолокатор с активной многочастотной антенной решеткой: Патент RU 2615996. Приоритет от 09.02.2016.

4. Справочник по радиолокации / Под. ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. под общей ред. B.C. Вербы. В 2 книгах. Книга 1. Москва: Техносфера, 2014. Глава 8.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в различных радиолокационных системах, где требуется высокое разрешение по дальности. Достигаемый технический результат – снижение уровня боковых лепестков. Указанный результат достигается за счет того, что радиолокатор содержит М активных фазированных решеток (ФАР), выполненных определенным образом, при этом каждый элемент ФАР излучает и принимает фазомодулированный сигнал (частотная модуляция рассматривается как частный случай фазовой) с несущей частотой ƒ_k=ƒ₁+Δƒ (k-1), где ƒ₁ - нижняя несущая частота; Δƒ - интервал между несущими частотами, k=1…N, N - количество несущих излучаемого многочастотного сигнала (количество элементов решетки). На каждой несущей частоте ƒ_k осуществляется синхронная для всех элементов фазовая модуляция с полосой частот B_k≤Δƒ. В результате вся полоса частот радиолокатора будет равна Частоты ƒ_k взаимно когерентны, что достигается с помощью общего опорного генератора. Принятые каждым элементом ФАР сигналы после усиления и согласованной фильтрации поступают на суммирующее устройство, на выходе которого получается импульсный сигнал. Сигналы с выходов суммирующих устройств всех ФАР поступают на входы устройства умножения, выход которого соединен с входом выходного устройства. В результате уровень боковых лепестков в принятом сигнале такого локатора снижается до М×13,2 дБ. 6 ил.

Сверхширокополосный радиолокатор с активной многочастотный антенной решеткой и пониженным уровнем боковых лепестков в сжатом сигнале, состоящий из выходного устройства, генератора сигнала импульсной модуляции и распределительной системы сигнала импульсной модуляции, опорного генератора модулирующих сигналов и распределительной системы опорного сигнала модулирующих сигналов, опорного генератора и распределительной системы опорного сигнала, активных модулей, вход-выход каждого из которых через согласующее устройство соединен с приемопередающим элементом антенной решетки, а выходы активных модулей соединены со входами суммирующего устройства; в состав активных модулей входят переключатель прием-передача, вход-выход которого является входом-выходом активного модуля, приемный и передающий тракты; передающий тракт состоит из генератора сигнала фазовой модуляции и последовательно включенных возбудителя, фазовращателя, фазового модулятора, управляющий вход которого соединен с генератором сигнала фазовой модуляции, первого предварительного усилителя, первого управляемого аттенюатора, второго предварительного усилителя, усилителя мощности, выход которого соединен со входом переключателя прием-передача; приемный тракт активного модуля состоит из последовательно включенных защитного устройства приемного тракта, вход которого соединен с выходом переключателя прием-передача, первого малошумящего усилителя, согласованного фильтра, второго малошумящего усилителя, второго управляемого аттенюатора и управляемой линии задержки, выход которой является выходом активного модуля; спектр излучаемого и принимаемого сигнала, имеющий ширину полосы частот В, разбит на N неперекрывающихся поддиапазонов с полосой частот B_k, k=1…N, так что выполняется условие сигнал в каждом поддиапазоне формируется и принимается в отдельном активном модуле, излучается и принимается отдельным элементом антенной решетки, при этом несущие частоты поддиапазонов являются взаимно когерентными и образуют сетку частот ƒ_k=ƒ₁+Δƒ (k-1), где ƒ₁ - нижняя несущая частота, Δƒ - интервал между несущими частотами, не превышающий максимальной полосы сигнала B_k, в каждой полосе частот B_k осуществляется синхронная фазовая модуляция (манипуляция) сигнала, взаимная когерентность несущих частот обеспечивается с помощью опорного генератора, выход которого соединен со входом распределительной системой опорного сигнала, а каждый выход распределительной системы опорного сигнала соединен с управляющим входом возбудителя каждого активного модуля, синхронная фазовая модуляция обеспечивается с помощью опорного генератора модулирующих сигналов, выход которого соединен с распределительной системой опорного сигнала модулирующих сигналов, каждый выход распределительной системы опорного сигнала модулирующих сигналов соединен со входом генератора сигнала фазовой модуляции каждого активного модуля, в каждом активном модуле осуществляется синхронная импульсная модуляция с помощью генератора сигнала импульсной модуляции, выход которого соединен со входом распределительной системы сигнала импульсной модуляции, каждый выход распределительной системы сигнала импульсной модуляции соединен со входом сигнала модуляции усилителя мощности каждого активного модуля, отличающийся тем, что дополнительно вводится не менее одной активной фазированной антенной решетки, построенной по описанной выше схеме, и устройство умножения, входы которого соединены с выходами суммирующих устройств каждой активной решетки, а выход устройства умножения соединен со входом выходного устройства, при этом максимумы диаграмм направленности всех активных фазированных решеток совпадают по направлению в пространстве и для всех фазированных решеток используются общие опорный генератор и распределительная система опорного сигнала, общие опорный генератор модулирующих сигналов и распределительная система опорного сигнала модулирующих сигналов и общие генератор сигнала импульсной модуляции и распределительная система сигнала импульсной модуляции.