Приемопередающая система аэрологического радиолокатора

Полезная модель относится радиотехнике и может быть использовано для приема телеметрической информации, измерения угловых координат и дальности до аэрологического радиозонда (АРЗ) импульсным методом на одной несущей частоте, также может быть использовано для построения высокостабильных и экономичных приемо-передающих устройств радиолокационных систем. Технической задачей полезной модели является повышение помехозащищенности радиосистемы, снижения уровня внеполосных излучений, обеспечение максимальной дальности действия радиосистемы, а также повышение точности сопровождения аэрологических радиозондов (АРЗ): во время пуска при больших угловых ускорениях в условиях сильной ветровой нагрузки, особенно в зонах Арктики и Антарктики; при сопровождении АРЗ на предельных наклонных дальностях до 180-200 км. Для решения поставленной задачи предлагается приемо-передающая система аэрологического радиолокатора, содержащая фазовый коммутатор, ферритовый циркулятор, передатчик СВЧ с полосовым фильтром и фазированную антенную решетку, цифровой блок обработки информации и управления, центральный пульт управления и линейную часть приемного устройства, отличающаяся тем, что система разделена на два канала: ближний канал и дальний канал и общую для обоих каналов часть, содержащую коммутатор ближнего/дальнего каналов, полосовой СВЧ-фильтр и буферный усилитель СВЧ, а фазированная антенная решетка разделена на четырехсегментную антенную решетку - решетку дальнего канала и малую антенную решетку - ближнего канала. 2 илл.

Полезная модель относится радиотехнике и может быть использовано для приема телеметрической информации, измерения угловых координат и дальности до аэрологического радиозонда (АРЗ) импульсным методом на одной несущей частоте, также может быть использовано для построения высокостабильных и экономичных приемо-передающих устройств радиолокационных систем.

Общей проблемой приемо-передающих систем аэрологических радиолокаторов является создание недорогих и высоконадежных устройств работающих в условиях большого динамического диапазона изменения сигнала радиозонда и значительных угловых ускорений при его запуске.

Известен аэрологический радиолокатор типа АВК-1 приемопередающая система, которого содержит параболическую антенну с облучателем, выход облучателя с помощью металлического коаксиального волновода и вращающихся сочленений соединен с потенциалотроном, который в приемном режиме выполняет роль параметрического малошумящего усилителя, в передающем режиме является мощным импульсным передатчиком запросного сигнала. В приемном режиме выход потенциалотрона подключен к линейной части приемного устройства содержащего смесители, гетеродины, усилители промежуточной частоты. В передающем режиме на управляющий вход потенциалотрона подается высоковольтный импульс напряжения, который переводит его в режим генерации мощного запросного радиоимпульса. Для обеспечения пеленга радиозонда по методу равносигнальной зоны диаграмма направленности антенны сканирует с помощью вращающегося облучателя. Ширина диаграммы направленности составляет порядка 6 градусов. Это обеспечивает точное определение угловых координат радиозонда. Однако недостатком этого устройства является частый срыв автосопровождения

радиозонда при пуске в условиях сильных ветров из-за узкой диаграммы направленности (см. А.А.Ефимов. Принцип работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1. - М.: Гидрометеоиздат, 1989. 149 с.; Н.А.Зайцева. Аэрология. Учебник для техникумов. Ленинград. Гидрометеоиздат.1990. 325 с.).

Известен аэрологический радиолокатор «Бриз» приемопередающая система которого содержит фазовые коммутаторы, ферритовый циркулятор, задающий автогенератор СВЧ и фазированную антенную решетку, цифровой блок обработки информации и управления, центральный пульт управления и линейную часть приемного устройства, отличающаяся тем, что система разделена на два канала: ближний канал и дальний канал, содержащие фазовые коммутаторы ближнего/дальнего каналов, а фазированная антенная решетка разделена на четырехсегментную антенную решетку - решетку дальнего канала и малую антенную решетку - ближнего канала; причем малая антенная решетка расположена в центре четырехсегментной антенной решетки; ближний канал содержит: соединенные последовательно первый фазовый коммутатор, первый вход малошумящего усилителя; дальний канал содержит соединенные последовательно второй фазовый коммутатор, ферритовый циркулятор и второй вход малошумящего усилителя; выход малошумящего усилителя соединен с входом линейной части приемного устройства РЛС. Выход линейной части приемного устройства РЛС соединен с цифровым блоком обработки и информации РЛС, который входной и выходной шиной соединен с ЦПУ РЛС (см. Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк С.П. «Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и применения радиозондовых измерительных средств» / Под ред. В.Э.Иванова. Екатеринбург. УрО РАН. 2004. 596 с. ISBN 5-7691-1513-0. (см. стр.74-88. ПРОТОТИП). Введение широкоугольной антенны ближнего канала (ширина диаграммы направленности около 25 градусов) обеспечивает высокую надежность автосопровождения радиозонда при пуске в условиях сильных ветров. При удалении радиозонда на расстояние 500-1000 метров происходит

автоматическое переключение малошумящего усилителя на работу с антенной дальнего канала. Недостатком прототипа является слабая помехозащищенность от внешних активных помех из-за отсутствия помехоподавляющих фильтров, недостаточной мощности и значительного уровня внеполосных излучений передатчика запросного сигнала.

Технической задачей полезной модели является повышение помехозащищенности радиосистемы, снижения уровня внеполосных излучений, обеспечение максимальной дальности действия радиосистемы, а также повышение точности сопровождения аэрологических радиозондов (АРЗ):

- во время пуска при больших угловых ускорениях в условиях сильной ветровой нагрузки, особенно в зонах Арктики и Антарктики;

- при сопровождении АРЗ на предельных наклонных дальностях до 180-200 км.

Для решения поставленной задачи предлагается приемо-передающая система аэрологического радиолокатора, содержащая фазовый коммутатор, ферритовый циркулятор, передатчик СВЧ с полосовым фильтром и фазированную антенную решетку, цифровой блок обработки информации и управления, центральный пульт управления и линейную часть приемного устройства, отличающаяся тем, что система разделена на два канала: ближний канал и дальний канал и общую для обоих каналов часть, содержащую коммутатор ближнего/дальнего каналов, полосовой СВЧ-фильтр и буферный усилитель СВЧ, а фазированная антенная решетка разделена на четырехсегментную антенную решетку - решетку дальнего канала и малую антенную решетку -ближнего канала; каждый сегмент дальнего канала содержит решетку из двенадцати излучателей, а малая антенная решетка ближнего канала содержит четыре одиночных излучателя, причем малая антенная решетка расположена в центре четырехсегментной антенной решетки дальнего канала; ближний канал содержит: соединенные последовательно первый фазовый коммутатор БК, первый полосовой фильтр БК и первый малошумящий усилитель БК; дальний канал содержит соединенные последовательно второй фазовый коммутатор

ДК, ферритовый циркулятор, второй полосовой фильтр ДК и второй малошумящий усилитель ДК; выходы первого и второго малошумящих усилителей соединены с входами коммутатора ближнего/дальнего канала, выход которого через последовательно соединенные полосовой СВЧ-фильтр, буферный усилитель СВЧ и линейную часть приемного устройства РЛС соединены с цифровым блоком обработки и информации РЛС, который входной и выходной шинами соединен с ЦПУ РЛС; цифровой блок обработки информации и управления РЛС первой управляющей шиной соединен с управляющими входами: передатчика СВЧ, первого и второго малошумящих усилителей, второй управляющей шиной - с управляющими входами обоих фазовых коммутаторов, третьей управляющей шиной - с управляющим входом коммутатора ближнего/дальнего каналов; а четвертой управляющей шиной с управляющими входами полосовых фильтров ближнего и дальнего каналов и СВЧ-фильтра; передатчик СВЧ через полосовой фильтр соединен с входом ферритового циркулятора; выход контроля мощности второго фазового коммутатора второй сигнальной шиной соединен с входом цифрового блока обработки информации и управления РЛС, с которым также первой сигнальной шиной соединен выход контроля мощности антенной решетки дальнего канала; выходы излучателей антенной решетки ближнего канала соединены однонаправленными шинами с сигнальными входами первого коммутатора, а излучатели антенной решетки дальнего канала двунаправленными шинами входа/выхода соединены с сигнальными входами второго коммутатора, который двунаправленной шиной соединен с входом/выходом ферритового циркулятора.

На фиг.1 изображена структурная схема приемопередающей системы, на фиг.2 - фазированной антенны, на которыых показано: 1 - собственно приемо-передающая система. 2 - четырехсегментная ФАР ближнего канала (БК), 3 - четырехсегментная ФАР дальнего канала (ДК), 4 - ферритовый циркулятор, 5 - полосовой фильтр СВЧ, 6 и 7 - фазовые коммутаторы: первый БК и второй ДК соответственно, 8 - полосовой фильтр ДК, 9 - передатчик СВЧ, 10

- полосовой фильтр БК, 11 и 12 - МШУ БК и ДК соответственно, 13 - буферный усилитель СВЧ, 14 - полосовой СВЧ-фильтр, 15 - коммутатор БК/ДК, 16 - линейная часть приемного устройства РЛС, 17 - цифровой блок обработки информации и управления РЛС, 18 - центральный пульт управления РЛС, 19 - малая антенная решетка, 20 - непосредственно антенна, первую-четвертую шины управления, первую-вторую сигнальные шины, двунаправленные шины 4×12 входа/выхода ДК и четыре однонаправленные шины БК (шины последних двух позиций идут с обеих антенных решеток).

Схема содержит и имеет следующие соединения. При этом система 1 разделена на два канала: ближний канал и дальний канал и общую для обоих каналов часть, содержащую фазовый коммутатор ближнего/дальнего каналов 15, полосовой СВЧ-фильтр 14 и буферный усилитель СВЧ 13, а фазированная антенная решетка разделена на четырехсегментную антенную решетку - решетку дальнего канала 3 и малую антенную решетку - ближнего канала 2; ближний канал содержит: соединенные последовательно первый фазовый коммутатор 6, первый полосовой фильтр 10 и первый малошумящий усилитель 11; дальний канал содержит соединенные последовательно второй фазовый коммутатор 7, ферритовый циркулятор 4, второй полосовой фильтр ДК 8 и второй малошумящий усилитель 12; выходы первого 11 и второго 12 малошумящих усилителей соединены с входами коммутатора 15 ближнего/дальнего канала, выход которого через последовательно соединенные полосовой СВЧ-фильтр 14, буферный усилитель СВЧ 13 и линейную часть 16 приемного устройства РЛС соединены с цифровым блоком 17 обработки информации и управление РЛС, который входной и выходной шинами соединен с ЦПУ РЛС 18; цифровой блок 17 обработки информации и управления РЛС первой управляющей шиной соединен с управляющими входами: передатчика СВЧ 9, первого 11 и второго 12 малошумящих усилителей, второй управляющей шиной - с управляющими входами обоих фазовых коммутаторов 6 и 7, четвертой управляющей шиной - с управляющим входом коммутатора 15 ближнего/дальнего каналов; а третьей управляющей шиной

с управляющими входами полосовых фильтров ближнего 10 и дальнего 8 каналов и полосового СВЧ-фильтра 14; передатчик СВЧ 9 через полосовой фильтр 5 соединен с входом ферритового циркулятора 4; выход контроля мощности второго фазового коммутатора 7 второй сигнальной шиной соединен с входом цифрового блока обработки информации 17 и управления РЛС, с которым также первой сигнальной шиной соединен выход контроля мощности антенной решетки 3 дальнего канала; выходы излучателей антенной решетки ближнего канала 2 соединены однонаправленными шинами с сигнальными входами первого коммутатора 6, а излучатели антенной решетки дальнего канала 3 двунаправленными шинами входа/выхода соединены с сигнальными входами второго коммутатора 7, который двунаправленной шиной соединен с входом/выходом ферритового циркулятора 4.

Указанные узлы принципиальной электрической схемы могут быть выполнены на следующих электрорадиоэлементах: фазированные микрополосковые антенны ближнего и дальнего каналов выполнены на металлических микрополосковых линиях и вибраторах (см. Электродинамический расчет характеристик полосковых антенн / Б.А.Панченко и др. - М.: Радио и связь, 2002. - 256 с.: ил.); фазовые коммутаторы ближнего и дальнего каналов выполнены на микрополосковых линиях и p-i-n диодах (см. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М.: Радио и связь. 1988. 288 с.); ферритовый циркулятор поставляется как комплектующее изделие (Рекламные материалы ОАО «Ферроприбор»,. e-mail: info@rusgates.ru; см. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М.: Радио и связь. 1988. 288 с.); полосовые фильтры и перестраиваемые полосовые фильтры построены на стержневых резонаторах с перестройкой частоты варикапами (см. Конструкторско-технологические основы проектирования полосковых микросхем /И.П.Бушминский, А.Г.Гудков, В.Ф.Дергачев и др.; Под ред. И.П.Бушминского. М.: Радио и связь, 1987. 272 с.; Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств/ С.И.Бахарев,

В.И.Вольман, Ю.Н.Либ и др.; Под ред. В.И.Вольмана. М.: Радио и связь, 1982. 328 с.); СВЧ-передатчик построен на мощных биполярных транзисторах (см. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М.: Радио и связь. 1988. 288 с.); малошумящие усилители ближнего и дальнего каналов и буферный усилитель выполнены по микрополосовой технологии на современных СВЧ-транзисторах (см. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М.: Радио и связь. 1988. 288 с.); коммутаторы выполнены на переключательных СВЧ-транзисторах (см. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М.: Радио и связь. 1988. 288 с.); линейная часть супергетеродинного приемного устройства, цифровой блок обработки информации и управления РЛС, центральный пульт управления РЛС построены по классическим цифровым технологиям обработки информации на основе микропроцессорной техники (см. Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк С.П. «Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и применения радиозондовых измерительных средств» / Под ред. В.Э.Иванова. Екатеринбург. УрО РАН. 2004. 596 с. ISBN 5-7691-1513-0, см. стр.74-88).

Устройство 1 работает следующим образом (см. фиг..1). Цифровой блок обработки информации и управления РЛС (БОИ) 17 работает по командам центрального пульта управления (ЦПУ) РЛС 18 реализованного в виде ПЭВМ.

Диапазон рабочих частот приемопередающей системы находится в пределах 1670-1690 МГц. Ширина спектра принимаемого сигнала радиозонда составляет 3-4 МГц. При запуске радиозонда в полет система сначала работает в режиме приема на антенну 2 ближнего канала (БК), а затем при удалении на 500-1000 метров в режиме приема на антенну 3 дальнего канала (ДК). Переключение режимов осуществляется по команде ЦПУ 18 выдачей сигнала блока БОУ 17 по шине управления 4 на коммутатор БК/ДК 15.

Блок БОУ 17 по шине управления 2 непрерывно вырабатывает последовательность импульсов обеспечивающих переключение фазовых коммутаторов (ФК БК 6) и (ФК ДК 7) таким образом, чтобы диаграммы направленности ФАР БК 2 и ФАР ДК 3 синхронно отклонялись от нормали на 3 градуса и последовательно занимали положение вверх/вниз, влево/вправо. Это обеспечивает автоматическое сопровождение радиозонда по угловым координатам по методу равносигнальной зоны.

Сигнал радиозонда, содержащий телеметрическую информацию и информацию углового положения, принятый антенной 2 с выхода ФК БК 6 поступает на полосовой фильтр ПФ БК 10, усиливается в МШУ БК 11, через коммутатор БК/ДК 15 поступает на общий ПФ 14, дополнительно усиливается в буферном усилителе БУ 13 и далее по коаксиальному кабелю подается на линейную часть супергетеродинного приемного устройства РЛС (ПрМ РЛС) 16, построенного по классической схеме, где осуществляется его оптимальная обработка. В блоке БОУ 17 информация обрабатывается и распределяется по соответствующим подсистемам.

Полосовые фильтры БК 10, ДК 8, ПФ 14 имеют полосу пропускания 4 МГц. Настройка частоты этих фильтров в пределах рабочего диапазона частот 1670-1690МГц осуществляется по шине управления 3 сигналом, вырабатываемым блоком БОУ 17 по данным поступающим от системы автоподстройки частоты ПрМ РЛС 16. Это позволяет эффективно принимать сигнал радиозонда и максимально защитить МШУ БК 11, МШУ ДК 12, и приемное устройство от активных помех попадающих в диапазон рабочих частот радиосистемы.

Для увеличения динамического диапазона работы приемное устройство радиосистемы снабжено системой автоматического регулирования усиления МШУ БК 11, МШУ ДК 12 (АРУ МШУ). Сигнал управления АРУ вырабатывает ПрМ РЛС 16.

При работе в режиме ДК сигнал с выхода ФАР ДК 3 поступает на ФК ДК 7 и далее на первый вход ФЦ 4. С выхода ФЦ 4 сигнал радиозонда

поступает на вход ПФ ДК 8, затем на вход МШУ ДК 12 и далее на коммутатор БК/ДК 15, далее на общие блоки 13, 14 16 и 17 РЛС. В остальном работа устройства в режиме ДК аналогична работе в режиме БК.

Для определения наклонной дальности до радиозонда радиосистема 1 снабжена передатчиком импульсного запросного сигнала состоящего из передатчика СВЧ 9 и полосового фильтра 5. На радиозонде установлен радиолокационный передатчик - ответчик, обеспечивающий на одной несущей частоте передачу телеметрического сигнала и формирование импульсного ответного сигнала дальности при поступлении запросного радиоимпульса. Запуск передатчика СВЧ 9 осуществляется импульсом длительностью 1 мкс, вырабатываемым блоком БОУ 17 и поступающим по шине управления 1 на вход передатчика СВЧ 9. Одновременно этот импульс поступает на входы МШУ БК 11, МШУ ДК 12 запирает и защищает их на время излучения мощного радиоимпульса передатчика СВЧ 9. Запросный радиоимпульс через ПФ 5, ФЦ 4, ФК ДК 7 и ФАР ДК 3 излучается в направлении на радиозонд. Полосовой фильтр 5 осуществляет фильтрацию внеполосного излучения передатчика СВЧ 9 и обеспечивает электромагнитную совместимость с другими внешними радиосистемами. Контроль и измерение мощности запросного передатчика осуществляется с помощью сигнала поступающего с выхода ФАР ДК 3 по сигнальной шине 1 на вход блока БОУ 17. Контроль и измерение мощности запросного передатчика осуществляется также с помощью сигнала поступающего с выхода ФК ДК 7 по сигнальной шине 2 на вход блока БОУ 17.

1. Приемопередающая система аэрологического радиолокатора, содержащая фазовый коммутатор, ферритовый циркулятор, передатчик СВЧ с полосовым фильтром и фазированную антенную решетку, цифровой блок обработки информации и управления, центральный пульт управления и линейную часть приемного устройства, отличающаяся тем, что система разделена на два канала: ближний канал и дальний канал и общую для обоих каналов часть, содержащую коммутатор ближнего/дальнего каналов, полосовой СВЧ-фильтр и буферный усилитель СВЧ, а фазированная антенная решетка разделена на четырехсегментную антенную решетку - решетку дальнего канала и малую антенную решетку - ближнего канала.

2. Приемопередающая система по п.1, отличающаяся тем, что каждый сегмент дальнего канала содержит решетку из двенадцати излучателей, а малая антенная решетка ближнего канала содержит четыре одиночных излучателя, причем малая антенная решетка расположена в центре четырехсегментной антенной решетки дальнего канала.

3. Приемопередающая система по п.1, отличающаяся тем, что ближний канал содержит: соединенные последовательно первый фазовый коммутатор БК, первый полосовой фильтр БК и первый малошумящий усилитель БК; дальний канал содержит соединенные последовательно второй фазовый коммутатор ДК, ферритовый циркулятор, второй полосовой фильтр ДК и второй малошумящий усилитель ДК; выходы первого и второго малошумящих усилителей соединены с входами коммутатора ближнего/дальнего канала, выход которого через последовательно соединенные полосовой СВЧ-фильтр, буферный усилитель СВЧ и линейную часть приемного устройства РЛС соединены с цифровым блоком обработки и информации РЛС, который входной и выходной шинами соединен с ЦПУ РЛС; цифровой блок обработки информации и управления РЛС первой управляющей шиной соединен с управляющими входами: передатчика СВЧ, первого и второго малошумящих усилителей, второй управляющей шиной - с управляющими входами обоих фазовых коммутаторов, третьей управляющей шиной - с управляющим входом коммутатора ближнего/дальнего каналов; а четвертой управляющей шиной с управляющими входами полосовых фильтров ближнего и дальнего каналов и СВЧ-фильтра; передатчик СВЧ через полосовой фильтр соединен с входом ферритового циркулятора.

4. Приемопередающая система по п.1, отличающаяся тем, что выход контроля мощности второго фазового коммутатора второй сигнальной шиной соединен с входом цифрового блока обработки информации и управления РЛС, с которым также первой сигнальной шиной соединен выход контроля мощности антенной решетки дальнего канала.

5. Приемопередающая система по п.1, отличающаяся тем, что выходы излучателей антенной решетки ближнего канала соединены однонаправленными шинами с сигнальными входами первого коммутатора, а излучатели антенной решетки дальнего канала двунаправленными шинами входа/выхода соединены с сигнальными входами второго коммутатора, который двунаправленной шиной соединен с входом/выходом ферритового циркулятора.