Способ формирования управляемой по ширине диаграммы направленности волноводно-щелевой антенны радиолокационной станции и устройство для его осуществления
Способ формирования управляемой по ширине диаграммы направленности антенны РЛС состоит в том, что с целью увеличения или уменьшения ширины диаграммы направленности антенны РЛС при ее неизмененных размерах формируют приемопередающую диаграмму направленности антенны раздельно для приема и для излучения радиоволн, причем для передачи используют основную диаграмму направленности антенны, а для приема - соответственно суммарную или разностную диаграммы из оснований и двух боковых со смещением их осей в обе стороны от основной примерно на половину ширины основной диаграммы направленности по нулевому уровню. Устройство, реализующее предлагаемый способ, включает в свой состав кроме используемой обычно в антеннах РЛС волноводно-щелевой антенны две дополнительные приемные антенны, соединенные с СВЧ-трактом основной антенны дополнительными приемными трактами с использованием СВЧ-смесителя, имеющими в своем составе дистанционно управляемые СВЧ-согласующие устройства для изменения фазы смешиваемых сигналов и СВЧ-переключатели прием - передача, препятствующие поступлению в дополнительные приемные тракты генерируемой передатчиком РЛС энергии при ее излучении антенной РЛС. Техническим результатом является уменьшение горизонтальных размеров антенны. 2 с. 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 антенны, 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 или в единичном пространственном угле, от угловых координат в пространстве. Коэффициент направленного действия G или коэффициент направленности антенны по мощности зависит от апертуры A (площади) антенны, длины L волны и коэффициента потерь np и определяется выражением (см. Справочник по радиолокации под ред. М. Сколник, Сов. радио, 1977 г., т. 2, стр. 64). G = 4![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/26/264345.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/26/264346.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/26/264347.gif)
Ф(х) - интеграл вероятности;
& - отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе линейной части приемника;
Nи - число обрабатываемых импульсов цели. Из приведенных выражений следует, что вероятность правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги тем выше, чем больше отношение сигнал/шум на выходе линейной части приемника и чем больше число обрабатываемых импульсов, пропорциональное ширине ДН антенны РЛС (см. выражение 3). По характеристикам зависимости вероятности правильного обнаружения цели Pпо при заданной вероятности ложной тревоги Pлт от величины отношения сигнал/шум & и числа обрабатываемых импульсов Nп можно найти пороговое значение отношения сигнал/шум &пор, при котором будут обеспечены заданные вероятности Pпо и Pлт при оптимальной обработке сигналов
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/26/264348.gif)
где x(Pпо, Pлт) - абсцисса точки на характеристике, соответствующая заданным вероятностям Pпо и Pлт. Выражение 6 показывает, что при одних и тех же условиях отношение сигнал/шум обратно пропорционально корню квадратному от числа обрабатываемых импульсов Nи. В указанном выше справочнике под редакцией В.В. Дружинина (стр. 82) приводится выражение зависимости систематической ошибки в измерении азимута от различных факторов. Систематические ошибки в измерении азимута могут возникнуть при неточном ориентировании антенной системы РЛС и вследствие несоответствия между положением антенны и электрической масштабной шкалой азимута. Случайные ошибки измерения азимута цели обусловливаются нестабильностью работы системы вращения антенны, нестабильностью схемы формирования отметок азимута, а также ошибками считывания. Среднеквадратическая ошибка измерения азимута @ может быть определена из выражения
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/26/264349.gif)
где Ya - коэффициент ухудшения точности определения азимута реальной РЛС;
Q[0,5], @ - в градусах. Выражение 7 показывает, что ошибка измерения азимута цели прямо пропорциональна ширине ДН антенны РЛС. Характеристики РЛС в значительной степени определяются конструкцией и тактико-техническими данными их антенных устройств. К основным характеристикам антенных устройств относятся:
- диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
- коэффициент усиления антенны;
- уровень боковых лепестков;
- частота вращения антенны. В качестве прототипа будем рассматривать судовые навигационные РЛС, в частности широко используемые в этих РЛС волноводно-щелевые антенны. В указанном выше справочнике под редакцией В.В. Дружинина (стр. 153) приведено выражению зависимости ширины диаграммы направленности волноводно-щелевых антенн Q[0,5] от длины волны L и размеров антенны B.
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/26/264350.gif)
Диаграмма направленности антенны РЛС в горизонтальной плоскости характеризует точность определения направления на обнаруженную цель. Для судовых навигационных РЛС характерными величинами диаграммы направленности по половинной мощности являются 0,7-2,3 гр. Коэффициент усиления антенны определяет эффективность РЛС по обнаружению различных целей. Уровень боковых лепестков характеризует РЛС с точки зрения возможности получения на экране индикатора станции ложных целей. Уровень боковых лепестков у антенн современных судовых навигационных РЛС ниже уровня основной диаграммы на 20-30 дБ. Частота вращения антенны измеряется числом оборотов в минуту и для современных станций равна 14-30 об/мин. В таблице 1 приведены основные характеристики антенн некоторых отечественных судовых навигационных РЛС, взятые из атласа "Судовые радиолокационные станции". Под редакцией А.М. Байрашевского. М.: Транспорт, 1988, с. 78-140. В качестве прототипа выбираем антенный пост судовой навигационной РЛС "Океан-С", работающий в диапазоне 3 см. Одним из существенных недостатков, свойственных антенному посту - прототипу, перечисленным в таблице антенным постам, а также антенным постам практически всех существующих судовых навигационных РЛС, является сравнительно большие горизонтальные размеры используемых в них волноводно-щелевых антенн, достигающих 3-4 м с радиусом обметания 1,5-2 м. Такой радиус обметания накладывает определенные требования к размещению антенны СНРЛС на судне, особенно к размещению на мачтах, в частности к размерам укрепляемых на мачтах площадок для размещения антенных постов. Сущность изобретения "Способ формирования и устройство волноводно-щелевой антенны радиолокационной станции с управляемой по ширине диаграммой направленности", состоит в том, что для формирования приемопередающей диаграммы направленности антенны используют волноводно-щелевую антенну, отличается тем, что используют для формирования передающей и приемной диаграммы направленности волноводно-щелевой антенны РЛС различное число антенн, формируют передающую диаграмму направленности за счет использования для излучения радиоволн одной, основной, антенны, формируют приемную диаграмму направленности, отличную от передающей, для чего используют при приеме отраженных сигналов указанную основную и две дополнительных, расположенных выше и ниже основной и повернутых в горизонтальной плоскости осью диаграммы направленности относительно оси диаграммы направленности основной антенны вправо и влево на угол, равный половине ширины диаграммы направленности антенны по нулевому уровню, защищают приемные тракты дополнительных антенн от проникновения энергии передатчика при излучения радиоволн, регулируют фазу сигналов в трактах дополнительных антенн относительно фазы сигналов в тракте основной антенны, смешивают сигналы, принятые основной и дополнительными антеннами, управляют шириной приемной и приемопередающей диаграмм направленности антенны от минимальной до максимальной, плавно изменяя фазу принимаемых сигналов в трактах дополнительных антенн относительно фазы сигнала основной антенны от противоположной, когда указанные сигналы вычитаются, а результирующая приемная диаграмма направленности в дальней зоне является разностной диаграммой основной и двух дополнительных антенн, 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 основной и двух дополнительных антенн, а приемопередающая - произведением передающей и суммарной приемной. Предлагается устройство формирования управляемой по ширине диаграммы направленности волноводно-щелевой антенны РЛС, имеющей одну антенну, поворотно установленную на основании антенного поста, отличающееся тем, что в состав антенны РЛС, наряду с основной антенной, использующейся для передачи и приема радиоволн, включены две дополнительные антенны, расположенные сверху и снизу относительно основной, оси диаграмм направленности которых расположены в горизонтальной плоскости по обе стороны от оси основной антенны с угловым смещением, равным половине ширины основной диаграммы направленности антенны по нулевому уровню, использующихся только для приема радиоволн, в состав приемопередающего СВЧ-тракта основной антенны включен СВЧ-смеситель, обеспечивающий подсоединение к указанному тракту основной антенны двух приемных СВЧ-трактов дополнительных антенн, в состав каждого из указанных трактов дополнительных антенн включены СВЧ-переключатели прием - передача, препятствующие проникновению в указанные тракты дополнительных антенн излучаемой передатчиком мощности из тракта основной антенны, а также дистанционно управляемые СВЧ-согласующие устройства, обеспечивающие плавное изменение фазы принимаемых дополнительными антеннами сигналов относительно фазы сигналов, принимаемых основной антенной, благодаря чему обеспечивается плавное изменение ширины результирующей приемной и приемопередающей диаграмм направленности антенны РЛС за счет смешивания при приеме радиоволн сигналов основной и двух дополнительных антенн с различной фазой и перемножения сформированной приемной диаграммы на диаграмму направленности основной антенны, использующейся для облучения 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. Перечень фигур чертежей и иных материалов. Фиг. 1. Диаграммы направленности антенны РЛС для основной - 1 и дополнительных - 2 и 3 антенн. Фиг. 2. Разностная и суммарная (1 и 2, соответственно) диаграммы направленности антенны РЛС 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. Внешний вид установленных на мачте судна антенны-прототипа - а, и предлагаемой антенны РЛС - б. На фиг. 4 обозначены:
1 - основная антенна или ее диаграмма направленности;
2 - дополнительная антенна или ее диаграмма направленности;
3 - дополнительная антенна или ее диаграмма направленности;
4 - угол поворота осей ДНДН дополнительных антенн от оси ДН основной антенны;
5 - приемопередающий СВЧ-тракт основной антенны;
6 - приемный СВЧ-тракт дополнительной антенны;
7 - СВЧ-согласующее устройство;
8 - СВЧ-переключатель прием - передача;
9 - СВЧ-смеситель;
10 - СВЧ-тракт антенны РЛС. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Предлагаемый способ формирования управляемой по ширине ДН антенны РЛС основан на известных физических принципах формирования диаграмм направленности антенн за счет суммирования с различным соотношением фаз диаграмм направленности нескольких антенн. Основное отличие в принципе формирования предлагаемого антенного устройства заключается в раздельном формировании характеристик направленности антенного устройства при излучении энергии и приеме отраженных сигналов. При излучении СВЧ-энергии она поступает в СВЧ-тракт от передатчика только к основной антенне и излучается в пространство. Диаграмма направленности при излучении соответствует кривой 1 на фиг. 1. При приеме отраженных целью сигналов используются основная антенна - 1 и две идентичные основной дополнительные антенны - 2 и 3 (фиг. 1), расположенные по обе стороны от основной со смещением по углу относительно оси ДН основной примерно на половину ширины ДН основной антенны по нулевому уровню. Принятые дополнительными приемными антеннами сигналы смешиваются синфазно или в противофазе с сигналами основной антенны. В результате смешивания сигналов формируется суммарная или разностная результирующая приемная диаграмма направленности антенны РЛС. На фиг. 2 представлены разностная - 1 и суммарная - 2 диаграммы направленности антенны РЛС при приеме сигналов для основной и двух дополнительных антенн, диаграммы направленности которых представлены на фиг. 1. Пунктирной линией на фиг. 2 показана ДН основной антенны, характеризующая уровни излучаемой мощности. Для получения результирующих приемопередающих ДН необходимо перемножить почленно по направлениям уровни амплитуд в приемных и передающих диаграммах направленности. Результирующие приемопередающие диаграммы направленности 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 три идентичные волноводно-щелевые антенны, из которых одна основная - 1 используется как для излучения энергии, так и для приема отраженных сигналов, а две дополнительные - 2 и 3, расположенные симметрично выше и ниже основной, со смещенными от оси ДН основной антенны осями диаграмм направленности на угол 4, используются только для приема отраженных сигналов. Основная антенна 1 имеет приемопередающий СВЧ-тракт 5. Каждая из приемных дополнительных антенн - 2 и 3 имеет свои СВЧ-тракты 6, соединяющие их с дистанционно управляемыми СВЧ-согласующими устройствами 7, обеспечивающими изменение фазы принимаемых дополнительными антеннами 2 и 3 сигналов относительно фазы сигналов в СВЧ-тракте 5 основной антенны 1. Для предотвращения попадания генерируемой передатчиком РЛС мощности из приемопередающего СВЧ-тракта основной антенны - 5 в приемные СВЧ-тракты дополнительных антенн 6 в их состав включены СВЧ-переключатели прием - передача 8, аналогичные по конструкции и характеристикам СВЧ-переключателю, защищающему приемник данной РЛС от попадания в него генерируемой энергии РЛС при излучении. Для обеспечения смешивания сигналов, принимаемых основной и дополнительными антеннами, в состав антенны РЛС включен СВЧ-смеситель 9, соединенный своими входами с приемопередающим СВЧ-трактом основной антенны 5 и выходами СВЧ-переключателей прием - передача 8, а выходы - с СВЧ-трактом антенны РЛС 10, соединяющим антенну РЛС с приемопередатчиком. Функционирует предлагаемая антенна следующим образом. Генерируемый передатчиком РЛС сигнал поступает по СВЧ-тракту антенны РЛС 10 в СВЧ-смеситель 9, откуда по приемопередающему СВЧ-тракту 5 - к основной антенне 1 и излучается в пространство. Поступлению генерируемых сигналов в приемные СВЧ-тракты дополнительных антенн 2 и 3 препятствуют СВЧ-переключатели прием - передача 8. Отраженные целью сигналы поступают в основную антенну 1 и, со смещением на угол 4 относительно оси основной антенны вправо и влево, в дополнительные приемные антенны 2 и 3. От основной антенны 1 принятые сигналы по тракту 5 поступают к смесителю 9. Принятые дополнительными приемными антеннами 2 и 3 сигналы по СВЧ-трактам 6 поступают через соответствующие согласующие устройства 7 и СВЧ-переключатели прием - передача 8 на СВЧ-смеситель 9. Согласующие устройства 7 обеспечивают заданное изменение фазы принимаемых антеннами 2 и 3 сигналов от совпадающей до противоположной. В результате в СВЧ-смеситель 9 поступают три сигнала - от основной антенны и два сигнала от дополнительных антенн, смещенных по фазе относительно основного на заданный устройствами 7 угол. Результирующий сигнал будет суммой или разностью основного сигнала и двух дополнительных. При полном совпадении фаз смешиваемых сигналов приемопередающих ДН антенны будет соответствовать суммарной ДН на фиг. 2 - кривой 3. При сложении сигналов в противофазе получим разностную ДН - кривую 2 на фиг. 3. При разности фаз суммируемых сигналов, равных 90 гр., результирующая ДН предлагаемой антенны будет соответствовать основной ДН - кривой 1 на фиг. 3. Таким образом, изменяя фазу дополнительных сигналов относительно основного от нуля до 180 градусов, 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 пеленгования РЛС при сохранении прежних горизонтальных размеров волноводно-щелевой антенны или уменьшение горизонтальных размеров антенны, а следовательно, массогабаритных характеристик антенного поста и конструкций для его размещения (см. фиг. 5), 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 книге В. М. Гинсбург, И.Н. Белова. "Расчет параболических антенн". Результаты расчетов сведены в таблицу 2. Анализ результатов расчетов показывает, что предложенный 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 увеличить ширину ДН антенны РЛС примерно в полтора раза и уменьшить ее более чем в два раза. При этом суммарный диапазон изменения ширины ДН по отношению к ширине основной ДН составляет 3,73 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 улучшения условий обнаружения целей с помощью РЛС необходимо увеличить число облучаемых цель и интегрируемых при обработке в приемном устройстве импульсов (см. выражения 3, 4 и 5). С этой точки зрения поиск целей лучше осуществлять со сравнительно широкой диаграммой направленности, обеспечивающей получение большего числа отраженных и обрабатываемых импульсов - Nи. Однако после обнаружения цели определение направления на нее целесообразно производить с использованием более узкой ДН для повышения точности пеленгования. Предложенный 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. Так при использовании антенны приведенной на фиг. 5б конструкции получим следующие характеристики:
Узкая ДН антенны - 0,7 гр. Широкая ДН антенны - 2,4 гр. Повышение дальности обнаружения целей при переходе на обзор с использованием широкой ДН - 17%. Повышение точности пеленгования при переходе, после обнаружения цели, на использование узкой ДН - 3,41 раз. Уменьшение горизонтальных размеров антенны при сохранении той же точности пеленгования - 2,1 раз. Другим направлением использования данного изобретения может быть создание антенны РЛС с уменьшенными горизонтальными размерами и, следовательно, всего антенного поста или антенн 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 более чем в два раза или уменьшения на эту же величину габаритов антенны при сохранении прежней точности пеленгования. Конструкция антенны для обеспечения работы при одном фиксированном отношении фаз смешиваемых сигналов упрощается. Из устройства исключаются управляемые СВЧ-согласующие устройства, а соотношение фаз смешиваемых сигналов обеспечивается относительной длиной и характеристиками СВЧ-трактов от облучателей до СВЧ-смесителя. 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, что хорошо видно на фиг. 5, где приведен внешний вид установленных на мачте антенны-прототипа и имеющей ту же точность пеленгования предлагаемой антенны. При этом необходимо учесть, что при линейном увеличении размеров антенны и ее радиуса обметания размеры площадок для установки антенны изменяются во всех трех измерениях. В последнем случае необходимо учитывать, что пропорционально габаритам уменьшается и КНД антенны. Это 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 и т.п., для которых массогабиратные 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. Из изложенного следует, что предлагаемые способ формирования и устройство волноводно-щелевой антенны РЛС с управляемой по ширине диаграммой направленности работоспособно и имеет ряд преимуществ перед аналогичными существующими изделиями.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7PD4A - Изменение наименования обладателя патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
(73) Новое наименование патентообладателя:
Открытое акционерное общество «Центральный научно-исследовательский институт «Курс» (RU)
Адрес для переписки:
105187, Москва, ул. Кирпичная, 34 а, ОАО «ЦНИИ «Курс»
Извещение опубликовано: 10.04.2009 БИ: 10/2009