Способ и устройство формирования управляемой по ширине диаграммы направленности антенны рлс

 

Изобретение относится к радиолокации, в частности к антенным устройствам РЛС. Достигаемый технический результат - управление по ширине диаграммой направленности (ДН) антенны, что достигается использованием для передачи основной ДН антенны, а для приема - суммарной и разностной диаграмм из основной и двух боковых со смещением их осей в обе стороны от основной ДН на половину ее ширины по нулевому уровню. Устройство, реализующее способ, включает в свой состав, кроме отражателя и облучателя с СВЧ-трактом, два дополнительных приемных облучателя, соединенных с СВЧ-трактом основного облучателя дополнительными трактами с использованием суммирующего моста, имеющего в своем составе управляемое согласующее устройство для изменения фазы смешиваемых сигналов и СВЧ-переключатели, препятствующие поступлению в дополнительные приемные тракты генерируемой передатчиком РЛС энергии при ее излучении антенной. 2 c. п.ф-лы, 5 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к антенным устройствам радиолокационных станций (РЛС).

В радиолокационной технике антенна служит необходимым связующим звеном между электромагнитными волнами, распространяющимися в свободном пространстве, и колебаниями, генерируемыми передатчиком и принимаемыми приемником РЛС.

Дальность действия РЛС зависит в значительной степени от характеристик антенн, в первую очередь от таких как коэффициент направленного действия при передаче и эффективная площадь антенны при приеме. Для одной и той же антенны эти параметры связаны между собой линейно. Для РЛС кроме указанных характеристик играют большую роль также точность определения направления на цель и уровень боковых лепестков диаграммы направленности антенны.

В большинстве РЛС используется антенна, концентрирующая излучаемую энергию в относительно малом пространственном угле и принимающая энергию лишь с некоторых направлений. Как правило, в современных РЛС для излучения и приема используется одна и та же антенна.

Одной из основных характеристик антенны РЛС, как сказано выше, является коэффициент направленного действия (КНД) или диаграмма направленности (ДН). Диаграммой направленности антенны называется пространственное распределение электромагнитного поля антенны в относительных единицах. В частности, ДН по мощности представляет собой зависимость мощности, проходящей через единичную площадь в единичном пространственном угле, от угловых координат в пространстве.

Коэффициент направленного действия G или коэффициент направленности антенны по мощности зависит от апертуры (площади) антенны - A, длины волны - и коэффициента потерь - и определяется из выражения (см. Справочник по радиолокации под ред. М.Сколник, М.: Сов. радио, 1977 г., т.2, стр.64): G = 4A/². (1) С другой стороны, КНД антенны РЛС жестко связан с шириной ДН в вертикальной - _в и горизонтальной _г плоскостях соотношением (там же стр.56): В литературе (см. Справочник по основам радиолокационной техники под ред. В. В. Дружинина. Воениздат.М.1983 г.) приводятся следующие зависимости ширины ДН зеркальных антенн от конструкции и размеров антенны (см. таблицу 1).

В радиолокации нашли широкое применение зеркальные антенны, основными элементами которых являются облучатель и зеркальный отражатель, чаще всего с отражающей поверхностью в форме параболоида.

Параболические антенны позволяют формировать узкие диаграммы направленности, а также изменять направление оси ДН антенны относительно оси зеркала путем смещения облучателя из фокуса параболического отражателя. Использование в параболической антенне нескольких смещенных из фокуса облучателей позволяет получить широкую многолучевую ДН.

С помощью дополнительных облучателей удается также уменьшить боковые лепестки антенны (см. В.М.Гинсбург, И.Н.Белова. Расчет параболических антенн. Сов. радио. 1959 г.).

Параболические антенны являются прототипом предлагаемого способа и устройства.

Одним из существенных недостатком описанных параболических антенн является невозможность изменять, главным образом уменьшать, ширину ДН антенны без изменения ее геометрических размеров, т.е. без изменения конструкции.

Сущность изобретения состоит в том, что предлагается способ формирования управляемой по ширине ДН антенны РЛС, отличающийся тем, что с целью обеспечения возможности управления шириной ДН антенны как в сторону ее увеличения, так особенно и в сторону уменьшения на (16-30)% и повышения тем самым точности пеленгования без изменения геометрических размеров антенны формируют результирующую приемопередающую диаграмму направленности антенны раздельно для излучения и для приема радиоволн, для чего при излучении радиоволн используют основную ДН антенны, а для приема радиоволн используют сумму или разность основной и двух идентичных основной боковых, со смещенными осями, расположенными по разные стороны от основной ДН на угол порядка половины ширины ДН основной антенны по нулевому уровню, в зависимости от ширины и формы основной ДН.

Предлагаемое устройство в виде параболической антенны РЛС с управляемой по ширине ДН, включающей отражатель и облучатель, отличается тем, что с целью обеспечения реализации указанного выше способа управления шириной ДН, особенно ее уменьшения и повышения точности пеленгования, в состав антенны включены два дополнительных приемных облучателя, расположенных в плоскости основного облучателя по обе стороны от него, соединенных дополнительными СВЧ-трактами с приемопередающим трактом основного облучателя антенны через суммирующий СВЧ-мост, причем каждый из дополнительных СВЧ-трактов имеет в своем составе СВЧ-переключатель, препятствующий поступлению в дополнительный СВЧ-тракт излучаемой передатчиком мощности из тракта основного облучателя, а также дистанционное управляемое согласующее устройство, обеспечивающее изменение фазы сигнала в дополнительном тракте относительно фазы принимаемого сигнала в тракте основного обучателя от совпадающей до противоположной для осуществления сложения или вычитания дополнительных сигналов в заданных пропорциях с основным при их смешивании в смесителе при поступлении в приемный тракт РЛС и обеспечения, соответственно, расширения или уменьшения ширины приемопередающей ДН антенны РЛС.

Фиг. 1. Диаграммы направленности антенны для основного - 1 и дополнительных - 2 и 3 облучателей.

Фиг. 2. Разностная - 1 и суммарная - 2 диаграммы направленности антенны при приеме сигналов.

Фиг. 3. Приемопередающие диаграммы направленности основной антенны - 1, разностной - 2 и суммарной - 3.

Фиг.4. Состав основных устройств предлагаемой антенны РЛС.

Фиг.5. Схема распространения радиоволн при излучении и приеме сигналов в предлагаемом антенном устройстве.

На фиг.4 обозначены: 1 - параболический отражатель; 2 - основной облучатель; 3 - дополнительные приемные облучатели; 4 - угол смещения дополнительных облучателей от оси отражателя; 5 - основной СВЧ приемопередающий тракт;
6 - СВЧ-тракт дополнительных облучателей;
7 - суммирующий СВЧ-мост;
8 - СВЧ-переключатель прием-передача;
9 - согласующее устройство.

Предлагаемый способ формирования управляемой по ширине ДН антенны РЛС основан на известных физических принципах формирования диаграмм направленности параболических антенн за счет размеров, конструкции и взаимного расположения параболического отражателя и облучателей. В связи с этим нет необходимости в подробном описании принципов работы и конструктивных элементов параболических антенн РЛС (см. указанную выше литературу).

Основное отличие в принципах формирования предлагаемого антенного устройства заключается в раздельном формировании характеристик направленности антенного устройства при излучении энергии и приеме отраженного сигнала.

При излучении СВЧ-энергии она поступает в СВЧ-тракт от передатчика только к основному облучателю антенны и излучается в пространство. Диаграмма направленности при излучении соответствует кривой 1 на фиг.1.

При приеме отраженных целью сигналов используются основной - 1 и два идентичных основному дополнительных - 2 и 3 на фиг.1 приемных облучателя, расположенных по обе стороны от основного со смещением по углу относительно оси отражателя примерно на половину ширины ДН основной антенны по нулевому уровню.

Принятые дополнительными приемными облучателями сигналы смешиваются синфазно или в противофазе с сигналами основного облучателя. В результате смешивания сигналов формируется суммарная или разностная результирующая приемная диаграмма направленности антенны. На фиг.2 представлены разностная 1 и суммарная 2 диаграммы направленности антенны при приеме сигналов для основного и двух дополнительных облучателей, диаграммы направленности антенны при использовании которых представлены на фиг.1.

Пунктирной линией на фиг.2 показана основная ДН антенны, характеризующая уровни излучаемой мощности.

Для получения результирующих приемопередающих ДН необходимо перемножить почленно по направлениям уровни амплитуд в приемных и передающей ДН.

Результирующие приемопередающие ДН основной антенны в существующем варианте излучения и приема - 1, разностной - 2 и суммарной - 3 представлены на фиг.3.

Для технической реализации предложенного способа используются существующие и широко использующиеся в радиолокации узлы и элементы.

Состав основных устройств предлагаемой антенны РЛС представлен на фиг.4.

Антенна включает в свой состав параболический отражатель - 1 и три облучателя, из которых один основной - 2 используется как для излучения энергии, так и для приема отраженных сигналов, а два дополнительных - 3, расположенных симметрично по обе стороны от основного и смещенных от оси облучателя 2 на угол 4, используются только для приема отраженных сигналов.

Основной облучатель 2 соединен с приемопередатчиком РЛС при помощи СВЧ-тракта 5.

Каждый из дополнительных облучателей 3 соединен с СВЧ-трактом 5 дополнительными СВЧ-трактами 6 через суммирующий СВЧ-мост 7. Для предотвращения попадания генерируемой передатчиком РЛС мощности из основного тракта 5 в дополнительные 6 в их состав включены СВЧ-переключатели прием-передача 8, аналогичные по конструкции и характеристикам СВЧ-переключателю, защищающему приемник данной РЛС от попадания генерируемой энергии в приемник РЛС при излучении.

Для изменения фазы принимаемых дополнительными облучателями 3 сигналов относительно фазы в основном СВЧ-тракте 5 в состав СВЧ-трактов дополнительных облучателей 6 включены дистанционно управляемые согласующие устройства 9.

Функционирует предлагаемое антенное устройство следующим образом.

Генерируемый передатчиком РЛС сигнал поступает по основному приемопередающему СВЧ-тракту 5 к основному облучателю 2 и от параболического отражателя 1 излучается в пространство. Поступлению генерируемых сигналов в СВЧ-тракты дополнительных облучателей 6 препятствуют СВЧ-переключатели 8.

Отраженные целью сигналы от параболического отражателя 1 поступают в основной отражатель 2 и со смещением на угол 4 в дополнительные приемные облучатели 3. От основного облучателя 2 принятые сигналы по тракту 5 поступают к суммирующему СВЧ мосту 7.

Принятые дополнительными приемными облучателями 3 сигналы по СВЧ-тракту 6 поступают через согласующее устройство 9 и СВЧ-переключатель 8 на суммирующий мост 7. Согласующее устройство 9 обеспечивает заданное изменение фазы принимаемых облучателями 3 сигналов от совпадающей до противоположной.

В результате, после суммирующего СВЧ-моста 7 в основной приемопередающий тракт 5 поступают три сигнала - основной и два дополнительных, смещенных по фазе относительно основного на заданный устройством 9 угол.

Результирующий сигнал будет суммой или разностью основного сигнала и двух дополнительных. При полном совпадении фаз смешивания сигналов приемопередающая ДН антенна будет соответствовать суммарной ДН на фиг.2 - кривой 3. При сложении сигналов в противофазе получим разностную ДН - кривая 2 на фиг. 3. При разности фаз суммируемых сигналов, равных 90^o, результирующая ДН антенны будет соответствовать основной ДН - кривая 1 на фиг.3.

Таким образом, изменяя фазу дополнительных сигналов относительно основного от 0 до 180^o, можно плавно изменять ширину ДН предлагаемой антенны от максимальной - кривая 3 до минимальной - кривая 2.

Из изложенного следует, что предлагаемое устройство работоспособно и обеспечивает реализацию предлагаемого способа формирования управляемой по ширине ДН антенны РЛС.

Предлагаемое устройство может быть также изготовлено с согласующим устройством только для одного фиксированного положения суммирования сигналов, например на положение для получения только разностной ДН антенны. Такая конструкция антенны обеспечивает повышение точности РЛС при сохранении прежних габаритов параболического отражателя антенны или уменьшение размеров параболического отражателя, а следовательно, массогабаритных характеристик антенного поста и конструкций для его размещения, при сохранении прежней точности пеленгования.

Для количественной оценки реальных пределов изменения ширины ДН антенны предлагаемой конструкции нами были произведены расчеты на ЭВМ диаграмм направленности антенн с различной шириной ДН по методике, изложенной в указанной выше книге В.М.Гинсбург, И.Н.Белова. Расчет параболических антенн. Расчеты проводились при условии равномерного облучения поверхности параболического отражателя.

Результаты сведены в таблицу 2.

Анализ результатов расчетов показывает, что предлагаемый способ формирования ДН с управляемой шириной обеспечивает изменение ширины ДН антенны РЛС как в сторону увеличения, так и в сторону ее уменьшения. Базируясь на данных таблицы 2, можно сделать вывод, что предлагаемый способ позволяет увеличивать ширину ДН антенны на 30 - 50% и уменьшать ее на 15 - 30%. При этом суммарный диапазон изменения ширины ДН по отношению к ширине основной ДН составляет от 50 до 75 процентов.

Общий диапазон изменения ширины ДН от минимальной до максимальной составляет от 1.6 до 2-х раз.

Изложенное позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ и устройство могут найти широкое применение в радиолокационной технике.

Рассмотрим примеры практического использования данного изобретения.

Одним из возможных направлений является использование изобретения в РЛС обнаружения с управляемой по ширине диаграммой направленности. Известно, что для ухудшения условий обнаружения целей с помощью РЛС необходимо увеличить число облучаемых цель и интегрируемых при обработке в приемном устройстве импульсов. С этой точки зрения поиск целей лучше осуществлять со сравнительно широкой диаграммой направленности. Однако после обнаружения цели определение направления на нее целесообразно производить с использованием более узкой ДН для повышения точности пеленгования.

Предлагаемые способ и устройство позволяют осуществлять поиск целей с использованием широкой ДН, а после обнаружения цели переключать антенну на узкую ДН, обеспечивая повышение точности определения направления на цель.

Такой режим работы целесообразно иметь, например, в навигационных РЛС морских судов, самолетов и т.п.

Другим направлением использования данного изобретения может быть создание антенны РЛС с уменьшенными размерами отражателя антенны и, следовательно, всего антенного поста или антенны с существующими габаритами и уменьшенной ДН, обеспечивающей повышение точностных характеристик РЛС.

В этом случае необходимо, чтобы при приеме радиоволн происходило суммирование сигналов только в противофазе. Результаты расчетов показали возможность повышения точности пеленгования на 15 - 30% или уменьшения на эту же величину габаритов антенны.

Конструкция антенны для обеспечения работы при одном фиксированном отношении фаз смешиваемых сигналов упрощается. Из устройства исключаются управляемые согласующие устройства, а соотношение фаз смешиваемых сигналов обеспечивается относительной длиной и характеристиками СВЧ-трактов от облучателей до суммирующего моста.

При использовании данного способа необходимо учитывать, что предлагаемые способ и устройство при уменьшении ширины ДН антенны сохраняют прежним коэффициент направленности антенны.

При уменьшении габаритов антенны по сравнению с существующими обеспечивается, при сохранении прежней точности пеленгования целей, существенное снижение массогабаритных характеристик как антенны, так и конструкций для ее размещения на объекте. Однако при этом пропорционально габаритам уменьшается и КНД антенны, что необходимо учитывать при оценке общих характеристик РЛС.

Использование предлагаемых способа и устройства особенно целесообразно при конструировании РЛС для малоразмерных носителей, таких как малые корабли, яхты, самолеты и т.п., для которых массогабаритные характеристики часто являются решающими при выборе оборудования.

Представляет интерес использование предлагаемых способа и устройства при конструировании коротковолновых антенн РЛС с возвратно-наклонным зондированием, горизонтальные размеры которых измеряются десятками и сотнями метров.

Формула изобретения

1. Способ формирования управляемой по ширине диаграммы направленности антенны РЛС, при котором для формирования приемопередающей диаграммы направленности антенны размещают в фокальной плоскости зеркала антенны систему облучателей, формируют диаграмму направленности в дальней зоне путем выбора числа облучателей, величины их углового смещения из фокуса, а также установкой необходимых фаз и амплитуд отдельных облучателей при их суммировании в приемопередающем тракте РЛС, отличающийся тем, что используют для формирования передающей и приемной диаграмм направленности антенны различное число облучателей из установленной системы облучателей, формируют передающую диаграмму направленности за счет использования для излучения радиоволн одного, основного, облучателя, расположенного в фокусе зеркала, формируют приемную диаграмму направленности, отличную от передающей, для чего используют при приеме отраженных сигналов указанный основной и два дополнительных облучателя, расположенных по обе стороны от основного и смещенных из фокуса зеркала на угол, равный половине ширины диаграммы направленности антенны по нулевому уровню,
защищают приемные тракты дополнительных облучателей от проникновения энергии передатчика при излучении радиоволн, регулируют фазу сигналов в трактах дополнительных облучателей относительно фазы сигнала в тракте основного облучателя, смешивают сигналы, принятые основным и дополнительными облучателями, управляют шириной приемной и приемопередающей диаграмм направленности антенны от минимальной до максимальной, плавно изменяя фазу принимаемых сигналов в трактах дополнительных облучателей относительно фазы сигнала основного облучателя от противоположной, когда указанные сигналы вычитаются, а результирующая приемная диаграмма направленности в дальней зоне является разностной диаграммой основного и двух дополнительных облучателей, а приемопередающая является результатом перемножения передающей и полученной результирующей приемной диаграмм, до совпадающей, когда указанные сигналы при приеме суммируются, результирующая приемная диаграмма направленности в дальней зоне является суммарной от основного и двух дополнительных облучателей, а приемопередающая - произведением передающей и суммарной приемной.

2. Устройство формирования управляемой по ширине диаграммы направленности антенны РЛС, имеющей зеркальный отражатель и систему облучателей, наряду с основным, расположенным в фокусе зеркала, размещенных симметрично относительно основного по разные стороны от его оси, с таким выбором фаз и амплитуд отдельных облучателей, который обеспечивает синфазное сложение отдельных лепестков в дальней зоне, причем фазы могут регулироваться либо фазовращателями в общем тракте между облучателями, либо в самих облучателях, отличающееся тем, что система облучателей включают три облучателя со своими трактами, один из которых, основной, расположенный в фокусе зеркала антенны, обеспечивает излучение и прием радиоволн, два других, дополнительных, расположенных по обе стороны от основного с угловым смещением от оси основного на угол, равный половине ширины передающей диаграммы направленности антенны по нулевому уровню, обеспечивают только прием радиоволн, в состав приемопередающего тракта основного облучателя включен суммирующий мост, обеспечивающий подсоединение к указанному тракту основного облучателя двух трактов дополнительных облучателей,
в состав каждого из трактов дополнительных облучателей включены переключатели прием - передача, препятствующие проникновению в указанные тракты дополнительных облучателей излучаемой передатчиком мощности из тракта основного облучателя, а также дистанционно управляемые согласующие устройства, обеспечивающие плавное изменение фазы принимаемых дополнительными облучателями сигналов относительно фазы сигналов, принимаемых основным облучателем, благодаря чему обеспечивается плавное изменение ширины результирующей приемной и приемопередающей диаграмм направленности антенны РЛС за счет смешивания при приеме радиоволн сигналов основного и двух дополнительных облучателей с различной фазой и перемножения сформированной приемной диаграммы на диаграмму направленности основного облучателя, использующуюся при облучении целей, причем минимальная ширина приемопередающей диаграммы получается при смешивании принимаемых сигналов в противофазе, а максимальная - при смешивании сигналов в фазе с плавным изменением ширины диаграммы при промежуточных соотношениях фаз.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 06.09.2002

Номер и год публикации бюллетеня: 15-2004

Извещение опубликовано: 27.05.2004