Антенна система смугової радіолокаційної станції із синтезованою апертурою високої розрізненності та підвищеної дальності дії

1. Антенна система смугової радіолокаційної станції із синтезуванням апертури високої розрізненності та підвищеної дальності дії, що містить рефлектор, визначене число антенних елементів, які розміщені в фокальній площині рефлектора, високочастотну фідерну мережу передавальних та приймальних каналів, до якої підключені антенні 3 ' У співвідношенні (1) R' і dг - дальність дії і горизонтальний розмір антени РСА при збільшенні розрізнення за шляховою дальністю, тобто зменшення відносної дальності дії підкоряється закону ступеня 2/3. В іншій відомій антенній системі РСА надвисокої розрізненості Lynx [6] гранично досяжна розрізнювальна здатність по шляховій дальності також обмежена горизонтальним розміром приймальнопередавальної антени. Недолік цієї антенної системи також полягає в тому, що зменшення горизонтального розміру антени, за інших рівних умов, приводить до зменшення відносної дальності дії згідно закону ступеня 2/3. Найбільш близьким технічним рішенням, обраним за прототип, є антенна система РСА в режимі смугового огляду [7, 8]. Вона містить у собі певне число антенних елементів (опромінювачів), з'єднаних за схемою. Сусідні елементи можуть бути об'єднані в кілька груп для формування (створення) діаграм спрямованості, причому за допомогою пристрою включення можливо вибірково активувати одну групу, що формує відповідну їй діаграму спрямованості. Схемно можуть об'єднуватися групи з різною кількістю антенних елементів. Схемне з'єднання антенних елементів сусідніх груп один з одним виконане таким чином, що вони мають щонайменше один загальний елемент. Антенна система виконана на базі рефлектора і антенні елементи розставлені у вертикальний ряд у фокальній площині рефлектора. Антенна система має загальну високочастотну антенно-фідерну мережу для передавальних і приймальних сигналів. Отже, розглянута як прототип антенна система дає можливість формувати набір діаграм спрямованості, що мають різну ширину променя в кутомісцевій площині, та керувати шириною смуги радіолокаційного спостереження залежно від висоти польоту носія РСА і дальності до смуги зондування, підтримуючи тим самим у певному діапазоні точність виміру відбитого сигналу. Недоліком відомої антенної системи РСА в режимі смугового огляду, обраної прототипом, є те що підвищення розрізнювальної здатності за шляховою дальністю в такій системі, за інших рівних умов, зменшує максимальну дальність дії, тому що вимагає зменшення горизонтального розміру рефлектора, що зменшує максимальну відносну дальність за законом ступеня 2/3. Запропоноване технічне рішення дозволяє формувати набір діаграм спрямованості різної ширини в азимутальній площині та підвищувати розрізнювальну здатність за шляховою дальністю без зменшення дальності дії, що дозволяє конструювати РСА з розширеними функціональними можливостями ведення радіолокаційної зйомки. Сутність корисної моделі полягає в тому, що за допомогою дзеркального параболічного рефлектора максимально припустимого розміру для використовуваного носія РСА забезпечується створення діаграми спрямованості з високим коефіцієнтом спрямованої дії (КСД), що забезпе 62861 4 чує високий енергетичний потенціал радіолокаційної станції. З цією метою використовується не один, а кілька опромінювачів. Вони розміщуються у фокальній площині дзеркальної антени таким чином, щоб при об'єднанні їх діаграм спрямованості формувалася однопелюсткова більш широка ДС, яка визначає розрізнювальну здатність за шляховою дальністю. При цьому зменшення дальності дії станції, обумовлене зменшенням розміру елемента розрізнення за шляховою дальністю, компенсується збільшенням кута синтезування, а дальність дії смугової РСА, що використовує таку антенну систему, не змінюється при збільшенні розрізнювальної здатності за шляховою дальністю. Всі ДС смугової РСА формуються на базі рефлектора. Антенні елементи розташовуються у фокальній площині рефлектора. Мінімальна ширина ДС формується за допомогою одного антенного елемента (опромінювача) і визначається відношенням довжини хвилі до ефективного розміру рефлектора у відповідній площині. Для збільшення розрізнювальної здатності за шляховою дальністю опромінювачі поєднують у групи й розташовують горизонтально у фокальній площині рефлектора таким чином, щоб сумарна ДС кожної групи мала один головний пелюсток. При цьому антенні елементи (опромінювачі) менших груп, є антенними елементами більших груп. Іншими словами опромінювачі розташовують на такій відстані Δх, щоб їх ДС перекривалися на рівні, рівному половині максимальної напруженості поля. Кількість груп буде визначати число ДС різної ширини та відповідно різну розрізнювальну здатність за шляховою дальністю. Суть корисної моделі реалізується в пристрої антенна система смугової РСА високої розрізненості та підвищеної дальності дії, яка містить рефлектор, визначену кількість антенних елементів, які розміщені в фокальній площині рефлектора, високочастотну фідерну мережу передавальних та приймальних каналів, до якої підключені антенні елементи і за допомогою якої вони поєднуються в групи різної величини, пристрій керування фідерною мережею, за допомогою якого вибирається діаграма спрямованості і активується відповідна їй група опромінювачів, полягає в тому, що антенні елементи розмішують в рядок у фокальній площині рефлектора, антенні елементи менших груп є антенними елементами більших груп, сусідні антенні елементи розташовують на такій відстані один від одного, щоб їх діаграми спрямованості перекривалися та створювалися однопелюсткові сумарні діаграми спрямованості антенної системи. Порівняння технічного рішення, яке заявляється, із прототипом дозволяє зробити висновок, що антенна система смугової PCА високої розрізненості та підвищеної дальності дії, яка заявляється, відрізняється тим, що антенні елементи розміщують в рядок у фокальній площині рефлектора, антенні елементи менших груп є антенними елементами більших груп, сусідні антенні елементи розташовують на такій відстані один від одного, щоб їх діаграми спрямованості перекривалися та 5 62861 створювалися однопелюсткові сумарні діаграми спрямованості антенної системи. Сутність корисної моделі пояснюється за допомогою креслень. На фіг. 1 наведено узагальнену схему антенної системи смугової PCА високого розрізнення з підвищеною дальністю дії. На фіг. 2 наведена принципова схема комутаційного модуля, який застосований для побудови фідерної мережі. На фіг. 3а наведена еквівалентна схема чотириплечого циркулятора, що працює в прямому режимі, а на фіг. 3б - еквівалентна схема чотириплечого циркулятора, що працює в зворотному режимі. На фіг. 4 наведено приклад структурної схеми антенної системи смугової РСА, яка має 4 опромінювача. На фіг. 5 наведено принципову схему пристрою керування комутацією фідерної мережі для наведеного прикладу антенної системи смугової РСА. Узагальнена структура пристрою наведена на фіг. 1. Пристрій складається з рефлектора 1, виконаного у вигляді дзеркала у формі параболоїда обертання, N-опромінювачів О1, О2,…, ON, високочастотної фідерної мережі, що комутується, 2, пристрою керування комутацією фідерної мережі 3. Опромінювачі розташовані уздовж горизонтальної лінії у фокальній площині рефлектора 1 і приєднуються до фідерної мережі 2. Опромінювачі об'єднані в групи. Кожна група при її активації формує свою ДС. Скільки груп сформовано, стільки різних ДС створюється за допомогою пристрою, що заявляється. Кожна менша група є складовою частиною більших груп. Активація опромінювачів обраної групи здійснюється за допомогою пристрою керування 3, що комутує роздільнооб'єднавчі елементи антенно-фідерного тракту 2. За допомогою пристрою керування 3 по імпульсах синхронізатора РСА здійснюється перемикання опромінювачів активованої групи на передачу зондувальних імпульсів або на прийом відбитих сигналів. Опромінювачі розташовують на такій відстані один від одного, щоб їх сумарна ДС була однопелюстковою. Лінійний інтервал між сусідніми опромінювачами може бути визначений за формулою x   , 2k sin  0 (2) де  - розрахункова довжина хвилі, k - коефіцієнт використання горизонтального розкриву рефлектора, ψ0 – кут розкриву дзеркальної антени, μ - коефіцієнт розширення ДС при її відліку на рівні 0,5Еm щодо її ширини на рівні 0,7Еm. Тобто,  0,5  0,7 0,7 , (3) 6 Розглянемо приклад конкретної реалізації пристрою, що заявляється. Нехай для літака-носія РСА максимально допустимі габарити антенної системи становлять 1,50,8 м. З погляду забезпечення максимальної дальності дії приймемо розміри дзеркального рефлектора lРГ=1,5 м; lРВ=0,8 м; Максимальний КСД у дзеркальних антен з рефлектором у вигляді параболоїда обертання виходить при куті розкриву 2ψ0=120-150° [9]. Оберемо профіль дзеркала, що відповідає ψ0=70°. Типовим частотним діапазоном для РСА є НВЧ діапазон. Виберемо розрахункову довжину хвилі =3,2 см і стандартний прямокутний хвилевід перетину 2,31 см, як елемент фідерної високочастотної мережі. Як опромінювачі будемо використовувати відкриті кінці хвилеводів 2,31 см. Для обраного кута розкриву дзеркальної антени та обраного типу опромінювача коефіцієнт використання розкриву дорівнює k=0,8. Коефіцієнт розширення μ можна варіювати в діапазоні 1,33…1,5. Виберемо μ=1,44. Тоді лінійний інтервал між опромінювачами Δх дорівнюватиме x  1 44  3,2  102 , 2  0,8  sin 70  3 см . (4) Фідерна мережа, що комутується, будується на базі однотипних модулів підключення зондувального сигналу до двох або до одного опромінювача в режимі передачі та передавання відбитого сигналу від одного опромінювача або об'єднання й передавання сигналів від двох опромінювачів при прийомі сигналів. Структура модуля наведена на фіг. 2. Вона містить два керовані фазові циркулятори (КФЦ) 1, 2 і Y-подібний розділювач енергії сигналу на дві рівні частини 3. Перший вхід КФЦ 1 з'єднаний з фідером живлення, другий вхід з'єднаний із входом b Y-подібного розділювача 3. Плече с розділювача підключене до одного опромінювача, а плече d до 1-го входу КФЦ-2. 2-е плече КФЦ-2 з'єднане з іншим опромінювачем, а 3-е плече з 4-м плечем КФЦ-1. У керованих циркуляторах енергія електромагнітної хвилі поширюється з одного каналу в інший тільки в певній послідовності. Еквівалентна схема чотириплечого циркулятора наведена на фіг. 3а. Стрілками показаний напрямок передачі енергії. Якщо електромагнітна енергія подається в плече 1, то вона пройде в плече 2 і не пройде в інші плечі. При прямому проходженні циркуляція відбувається в послідовності 1→2→3→4→1. При зміні напрямку керуючого магнітного поля, фіг. 3б, циркуляція буде відбуватися у зворотній послідовності 1→4→3→2→1. Наведений на фіг. 2 перемикаючий модуль працює таким чином. При випромінюванні сигналу 7 62861 використовують пряме проходження. Зондувальний сигнал подається в плече 1 циркулятора 1. Сигнал проходить у плече 2, передається на розділювач 3 (плече b), де його потужність розділяється порівну на два канали (плечі с і d). Із плеча с розділювача сигнал подають на 1-й опромінювач, а із плеча d - на плече 1 КФЦ-2. З 1-го плеча КФЦ2 сигнал проходить у плече 2 і надходить до антенного опромінювача 2. Таким чином, при прямому проходженні сигналу через КФЦ-1 та КФЦ-2 перемикаючий модуль в режимі передачі забезпечує поділ енергії зондувального вхідного сигналу на рівні частини та активацію двох опромінювачів. Для прийому сигналу напрямок проходження сигналу через КФЦ-1 та КФЦ-2 перемикаючого модуля міняють на зворотній. При цьому вхідні сигнали двох опромінювачів підсумовуються в розділювачі-об'єднувачі 3 (сигнал від опромінювача 2 надходить у плече d розділювача-об'єднувача 3 через плече 1 КФЦ-2). Із плеча b розділювачаоб'єднувача 3 сигнал через плечі 2-4 1 КФЦ-1 подається до фідерної лінії когерентного приймача. Інший варіант роботи перемикаючого модуля полягає в передачі та прийомі сигналу до одного і від одного з опромінювачів. У цьому випадку КФЦ1 і КФЦ-2 перемикаючого модуля при зондуванні працюють у зворотному режимі. Тобто сигнал із плеча 1 КФЦ-1 проходить у плече 4, звідки його подають на плече 3 КФЦ-2 і далі через плече 2 на опромінювач, що живиться від плеча 2 КФЦ-2. У режимі прийому КФЦ-1 і КФЦ-2 переводяться в прямий режим передачі сигналу. При цьому сигнал від опромінювача, підключеного до плеча 2 КФЦ-2, надходить у плече 3 і далі через плече 4 КФЦ-1 у його плече 1, і далі у фідерну лінію приймача. Сигнал від опромінювача, підключеного до плеча 2 КФЦ-1, надходить через його плече 3 на погоджене навантаження, де він поглинається. Структурна схема приклада антенної системи смугової РСА (фіг. 4) містить: дзеркальний рефлектор 1, чотири опромінювача О1, О2, О3, О4, високочастотну фідерну мережу, що комутується, 2, яка складається з 3-х однакових, описаних вище, керованих комутуючих модулів М1, М2, М3 і відрізків високочастотних ліній передачі й пристрій керування перемикаючими модулями 3. Два модулі М1 і М2 живлять опромінювачі. Виходи модулів А і С підключені до опромінювачів О1, О2 і О4, О3 від 8 повідно. Перемикаючий модуль М3 здійснює підключення каналу приймача-передавача РСА до модулів М1 і М2 або до модуля М1. Пристрій керування комутацією 3 здійснює вибір прямого або зворотного підключення КФЦ модулів М1, М2, і М3. Фідерна комутуюча мережа забезпечує наступні комбінації живлення опромінювачів: 1. Всі КФЦ перемикаючих модулів переведені в прямий режим. Формується передавальний промінь шириною   5,32  в горизонтальній площині та у kl РГ kl РВ вертикальній площині. Енергія передавача рівномірно розподіляється на 4 опромінювача. При переведенні КФЦ модулів у зворотний режим формується точно такий же прийомний промінь РСА. 2. КФЦ перемикаючих модулів М1, М2 переведені у зворотний режим, а КФЦ модуля М3 переведені у прямий режим. Формується передавальна  ДС РСА шириною 2,44  в горизонтальній kl РГ площині та  у вертикальній площині. Енергія kl РВ передавача рівномірно розподіляється на два центральних опромінювача. При переведенні КФЦ перемикаючих модулів М1, М2 у прямий режим, а КФЦ модуля М3 у зворотний режим формується такий самий приймаючий промінь РСА. 3. КФЦ перемикаючих модулів М2 і М3 переведені у зворотний режим. Формується передавальна ДС РСА шириною   в горизонтальній площині та у вертикаkl РВ kl РГ льній площині. Вся енергія передавача подається на один центральний опромінювач рядка. При переведенні КФЦ перемикаючих модулів М2, М3, у прямий режим формується точно такий же прийомний промінь РСА. Необхідні режими роботи керованих фазових циркуляторів модулів комутації М1, М2 і М3 для формування всіх трьох ДС розглянутого приклада антенної системи смугової РСА зведені до табл. 1. Таблиця 1 Режим роботи Ширина променя Верт. пл. Гориз. пл од. оп. 5,32од. оп. од. оп. 2,44од. оп. од. оп. од. оп. Передача Прием Номер режима М1 М2 М3 П Звр. П Звр. П Звр. 1 Звр. П Звр. П П Звр. 2 Відкл Відкл Звр. П Звр. П 3 9 62861 од. оп. , од. оп. - ширина діаграми спрямо ваності, створена поодиноким опромінювачем у вертикальній і горизонтальній площині; П - включений прямий режим керованих фазових циркуляторів модуля; Звр. - включений зворотний режим керованих фазових циркуляторів модуля; Відкл. - напрямок струму в обмотках намагнічування керуючих режимом циркуляторів модуля не має значення. Запропонована конструкція антенної системи дозволяє одержати розрізнювальну здатність смугової РСА за шляховою дальністю вище теоретичного граничного значення, рівного половині горизонтального розміру антени. При цьому з погляду підвищення енергетичного потенціалу станції до 10 цільно вибирати максимально прийнятний для носія РСА розмір антени, а за рахунок кількості опромінювачів домагатися необхідного розрізнення за шляховою дальністю. Дальність дії смугової РСА із запропонованою антеною системою за інших рівних умов пропорційна ступені 2/3 від площі дзеркального рефлектора й не залежить від розрізнювальної здатності за шляховою дальністю. Порівняльний аналіз основних тактикотехнічних характеристик смугової РСА, в якій використана антенна система, розглянута як приклад реалізації запропонованого пристрою формування ДС, із прототипом і кращим аналогом, зроблений у табл. 2 і 3. Таблиця 2 Об'єкт Прототип патент DE № 10319063 РСА із запропонованою антенною системою Антенна x' x lРВ, м lРГ, м δх, м Параболоїд та 4 вертикальних опромінювача Параболоїд та 4 горизонтальних опромінювача R' R  R'     R    0,8 1,2 0,6 0,18 1 4 0,8 1,2 0,11 5,45 1 * 0,25 Таблиця 3 Об'єкт Аналог РСА, Lynx PGA із запропонованою антенной системой Антена lРВ, [м] lРГ, [м] δх, [м] Параболоїд з одним опромінювачем Параболоїд та 4 горизонтальних опромінювача R ' x' R ' , і - відношення розR R x різнювальної здатності, дальності дії, смуг огляду У табл. 2, 3 *  R'   - оцінка віднопорівнювальних об’єктів.   R    шення порівнюваних смуг огляду. Джерела інформації 1. Реутов А.П., Михайлов Б.А., Кондратенков Г.С., Бойко Б.В. Радиолокационные станции бокового обзора /под ред. А.П. Реутова- М.: Сов. радио, 1970. - 360 с. С. 81. 2. Радиолокационные станции обзора Земли /Г.С. Кондратенков, В.А. Потехин, А.П. Реутов, Ю.А. Феоктистов; Под ред. Г.С. Кондратенкова. М.: Радио и связь, 1983 - 272 с., ил. С. 23. 3. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны /В.Н. Анти x' x R' R R ' R 0,4 2 0,4 0,6 0,3 0,31 0,8 1,2 0,11 2,73 2,52 0,5 пов, В.Т. Горяинов, А.Н. Кулин и др. - М.: Радио и связь, 1988. - 304 с.; ил, С. 20. 4. Федотов Б.М. Оцінка обмежень "дальність дії - роздільна здатність" радіолокаційних станцій з синтезованою апертурою. - Труди академії. - К.: НАОУ, 2004. № 52. – С. 153-161. 5. Базовый комплекс воздушной разведки БКР-1 самолѐта Су-24МР. -М.: ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, 1985. - 251 с. С. 90. - аналог. 6. Федотов Б.М., Станкевич С.А. Сучасний стан авіаційних радіолокаційних станцій з синтезованою апертурою та напрямки їх удосконалення. Труди академії. 2006. № 70. - С 96-107. - аналог. 7. Патент DE 1031 9063 (А1) - прототип. 8. Патент ЕР 147 1600 (А1) - прототип. 9. Драбкин А.Л., Зузенко В. Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. - М.: Сов. радио, 1974. - 536 с. С. 366. 11 62861 12 13 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 62861 Підписне 14 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601