Антенная система метеолокатора

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в приемопередающей аппаратуре связи и радиолокации, в частности в антенных системах метеолокаторов для сопровождения аэрологических радиозондов (АРЗ) и метеорологических ракет. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и надежности сопровождения АРЗ, особенно на малых высотах и при больших угловых скоростях перемещения АРЗ (20 - 30^o/с), при одновременном снижении аппаратурных затрат и, следовательно, стоимости. Антенная система метеолокатора содержит четырехсегментную антенную решетку, малую антенную решетку, две диаграммообразующие схемы, приемопередатчик и микропроцессор, причем каждый сегмент содержит решетку из двенадцати излучателей, расположенных в четыре ряда и в четыре этажа, выход каждого сегмента соединен с соответствующим входом/выходом первой диаграммообразующей схемы, малая антенная решетка содержит четыре одиночных излучателя, расположенных в центре четырехсегментной антенной решетки, а выход каждого одиночного излучателя соединен с соответствующим входом второй диаграммообразующей схемы, входы/выходы обеих диаграммообразующих схем соединены с соответствующими входами/выходами приемопередатчика, управляющие выходы микропроцессора соединены с управляющими входами диаграммообразующих схем и приемопередатчика, выход последнего является выходом системы. 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в приемопередающей аппаратуре связи и радиолокации, в частности в антенных системах метеолокаторов для сопровождения аэрологических радиозондов (АРЗ) и метеоролических ракет.

Известны антенные системы, с параболическим отражателем (см. М.П. Долуханов "Антенны излучают", М. , Связь, 1973 г., стр. 71-74), наиболее распространенные в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн, в которых рефлектор представляет собой параболоид вращения, в фокусе которого помещен облучатель.

Недостатки данных антенных систем следующие: громоздкость; большая инерционность; строгие допуска на точность изготовления отражающей поверхности, отсюда высокие стоимость изготовления и общая стоимость конструкции, недостаточная точность сопровождения и определения угловых координат и дальности, особенно малоразмерных целей на малых дальностях.

Известна антенная система метеолокатора (см. А.А. Ефимов "Принципы работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1" М., Гидрометеоиздат, 1989 г., стр. 6-7, рис. 1.1), в которой применяется круговое сканирование диаграммы направленности за счет вращения спирального излучателя в параболической антенне.

Недостатком данной антенной системы, кроме применения параболического отражателя, являются: затенение раскрыва зеркала облучателем и элементами его крепления, что влияет на диаграмму направленности (ДН), вследствие чего на мощность принимаемых и излучаемых сигналов в направлении АРЗ; индивидуальная настойка каждой антенной системы, точное изготовление элементов спирального излучателя; ДН этой антенны в процессе работы постоянна и довольно узкая, поэтому при малой дальности происходит срыв автосопровождения АРЗ по угловым координатам.

Также известные антенные системы с фазированными антенными решетками (ФАР), в которых возбуждение по апертуре можно менять, управляя параметрами отдельных элементов, в результате чего обеспечивается электронное сканирование ДН (см. "Справочник по радиолокации", редактор М. Сколник, М., Сов. Радио, 1977 г, стр. 135) - ПРОТОТИП.

Данная корабельная РЛС имеет четыре раздельных антенных решетки (АР) для решения конкретных задач, но для обнаружения и сопровождения целей непосредственно над кораблем на малой дальности необходимо иметь пятую АР меньших размеров. Таким образом для обзора, обнаружения и сопровождения цели одновременно на малой и большой дальностях требуется дополнительная АР, что требует увеличения технического оборудования и материальных затрат.

Также следует заметить, что современные метеоРЛС не могут сопровождать радиозонд по крайней малых высотах, порядка единиц метров, особенно когда радиозонд пролетает непосредственно на РЛС сразу после запуска вследствие узкой ДН.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности и надежности сопровождения АРЗ, особенно на малых высотах и при больших угловых скоростях перемещения АРЗ (20-30 ^o/с), при одновременном снижении аппаратурных затрат и, следовательно, стоимости.

Для решения поставленной задачи предлагается антенная система метеолокатора, содержащая четырехсегментную антенную решетку, малую антенную решетку, две диаграммообразующие схемы, приемопередатчик и микропроцессор, причем каждый сегмент содержит решетку из двенадцати излучателей, расположенных в четыре ряда и в четыре этажа, выход каждого сегмента соединен с соответствующим входом/выходом первой диаграммообразующей схемы, малая антенная решетка содержит четыре одиночных излучателя, расположенных в центре четырехсегментной антенной решетки, в выход каждого одиночного излучателя соединен с соответствующим входом второй диаграммообразующей схемы, входы/выходы обеих диаграммообразующих систем соединены с соответствующими входами/выходами приемопередатчика, управляющие выходы микропроцессора соединены с управляющими входами диаграммообразующих схем и приемопередатчика, выход последнего является выходом системы.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема антенной системы, на фиг. 2 - диаграммообразующей схемы, на фиг. 3 - приемопередатчика, на фиг. 4 - диаграммы направленности антенной системы, на фиг. 5 - частотная характеристика.

На электрических схемах изображено: 1-4- сегменты АР, 5 - малая антенная решетка (МАР), 6 и 7 - вторая и первая соответственно диаграммообразующие схемы, 8 - приемопередатчик, 9 - микропроцессор, 10 - 13 - фазовращатели, 14 и 15 - кольцевые делители мощности, 16 и 17 - СВЧ фильтры, 18 - ферритовый циркулятор, 19 - СВЧ передатчик, 20 и 21 - коммутаторы защиты, 22 - сумматор, 23 - малошумящий усилитель.

Излучатели антенных решеток 1-5 могут быть выполнены, например, в виде квадратных печатных излучателей с согласованным выходным сопротивлением 50 Ом (см. "Антенны и устройства СВЧ", под ред. Д.И. Воскресенского, М., "Радио и связь", 1994 г., стр. 166-168. МП 9 может быть применен типа 80C196KC, см. каталог фирмы Jntel "EMBEDDED MICROCONTROLLERS and PROCESSORS" volumel, 1993, 17-1. Фазовращатели 10-13 (из ДОС 6 и 7) могут быть выполнены, например, на pin-диодах, (см. "Справочник по радиолокации", М., Сов. радио, 1977 г., стр. 251-259). Кольцевые делители мощности 14 и 15 (также из ДРС 6 и 7) могут быть выполнены, например, по схеме кольцевых мостов (см. "Антенны и устройства СВЧ", под ред. Д.И. Воскресенского, М., "Радио и связь", 1994 г. , стр. 301, 302, 306). СВЧ - фильтры 16 и 17 могут быть выполнены, например, по схеме (см. Л.Г. Гассанов и др. "Твердотельные устройства СВЧ в технике связи", М., Радио и связь, 1988 г., стр. 51-64). Ферритовый циркулятор 18 может быть выполнен, например, по Y - обратной схеме (см. М.П. Долуханов "Антенны излучают", М., Связь, 1973 г., стр. 131-132). СВЧ - передатчик 19 может быть выполнен, например, на маломощном магнетроне (см. А.А. Ефимов "Принципы работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1", М., Гидрометеоиздат, 1989 г., стр. 19, 20). Коммутаторы защиты 20 и 21 могут быть выполнены по схеме (см. Л.Г. Гассанов и др. "Твердотельные устройства СВЧ в технике связи", М., Радио и связь, 1988 г., стр. 135-143). Сумматор 22 может быть выполнен по схеме (см. Л.Г. Гассанов и др. "Твердотельные устройства СВЧ в технике связи", М., Радио и связь, 1988 г. , стр. 68-71). Малошумящий усилитель 23 может быть выполнен по схеме (см. Л. Г. Гассанов и др. "Твердотельные устройства СВЧ в технике связи", М., Радио и связь, 1988 г., стр. 156-158).

Антенная система метеолокатора работает следующим образом. Рассмотрим на примере передачи, т.к. в силу "принципа обратимости" характеристики антенной системы остаются неизменными и в режиме приема.

Т. к. метеолокаторах требуется обнаружение (пеленгация) и сопровождение цели (АРЗ), то применяется равносигнальный метод, для чего применяется сканирование электрическим способом, при котором перемещение ДН осуществляется за счет амплитудно-фазового распределения в раскрыве антенны электрическим путем, т.е. управление максимумом ДН осуществляется изменением сдвига фаз между токами соседних излучателей. В режиме передачи для обеспечения максимальной мощности облучения цели (АРЗ) подаются одинаковые сигналы на все четыре сегмента АР 1-4.

В данном метеолокаторе применены два режима работы: режим малой дальности до 1 км и основной режим свыше 1 км максимальной дальности полета АРЗ. При обоих режимах на передачу всегда работают сегменты АР 1-4, а на прием: при режиме малой дальности - только МАР5, а при основном режиме - АР 1-4 и МАР5.

Метеолокатор находится от места запуска АРЗ в нескольких десятках метров, и его антенна по азимуту и углу места юстирована на точку запуска. В этом режиме в МАР5 формируется широкая диаграмма направленности, что позволяет отслеживать АРЗ, даже летящей по ветру в сторону метеолокатора и пролетающей непосредственно над ним в единицах метров (см. ДН на фиг. 4б).

При работе антенно-фидерной системы метеолокатора на передачу СВЧ-сигнала передатчика 19 сигнал последнего через ферритовый циркулятор 18 и СВЧ-фильтр 16 поступает на кольцевые делители мощности 14 и 15, находящиеся в ДОС 7. С выходов указанных делителей мощности сигналы поступают на фазовращатели 10-13 (построенный по схеме "нагруженная линия"), которые имеют только два фиксированных положения: ^o или 45^o, переключение которых происходит по управляющему сигналу МП9. При достижении наклонной дальности полета АРЗ 1 км заданной режим малой дальности заканчивается и происходит автоматическое переключение на основной режим, (переключение на схеме условно не показано), при котором на прием включаются все АР: 1-4 и МАР 5, при этом происходит суммирование мощности всех АР. ДН, формируемая при этом, имеет вид см. на фиг. 4а. ДН в ДОС 6 для МАР5 формируется так же как и в ДОС7, только фиксированный сдвиг фаз имеет значение 0-110^o, а фазовращатели 10-13 в ДОС 6 выполнены по мостовой схеме. Переключение фаз фазовращателей в сегментах 1-4 АР (соответственно и в МАР 5) для сканировании влево-вправо и вверх-вниз происходит согласно таблице.

Работа всей антенной системы синхронизирована с МП9 (синхросигнал), связи синхросигнала с элементами схемы условно не показано.

Применение данной антенной системы метеолокатора позволяет значительно повысить точность и динамику сопровождения, особенно на малых дальностях, при значительном снижении габаритно-массовых характеристик самой антенны, а следовательно, выполняется один из основных постулатов современной техники: "стоимость-эффективность". Так размеры предлагаемой ФАР в полтора раза меньше параболической антенны, а вес - в два раза меньше. Эффективность же заключается в том, что предлагаемый метеолокатор не теряет цель (АРЗ) при малых дальностях и, что особенно важно, при одновременном движении с большой угловой скоростью до 30 ^o/с. С учетом этой особенности данная антенная система может найти применение в РЛС для обнаружения, захвата и сопровождения быстродвижущихся малоразмерных целей на малых высотах, например крылатых ракет, беспилотных самолетов разведчиков над полем боя и для наведения зенитных ракет (на начальном участке).

Формула изобретения

Антенная система метеолокатора содержит четырехсегментную антенную решетку, малую антенную решетку, две диаграммообразующие схемы, приемопередатчик и микропроцессор, причем каждый сегмент содержит решетку из двенадцати излучателей, расположенных в четыре ряда и в четыре этажа, выход каждого сегмента соединен с соответствующим входом/выходом первой диаграммообразующей схемы, малая антенная решетка содержит четыре одиночных излучателя, расположенных в центре четырехсегментной антенной решетки, а выход каждого одиночного излучателя соединен с соответствующим входом второй диаграммообразующей схемы, входы/выходы обеих диаграммообразующих схем соединены с соответствующими входами/выходами приемопередатчика, управляющие выходы микропроцессора соединены с управляющими входами диаграммообразующих схем и приемопередатчика, выход последнего является выходом системы.

РИСУНКИ

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