Способ формирования и устройство малогабаритной фазированной антенной решетки рлс с управляемой по ширине диаграммой направленности

 

Изобретение относится к антеннам РЛС. Техническим результатом изобретения является уменьшение горизонтальных размеров антенны, в частности радиуса обметания. Сущность способа: формируют приемопередающую ДН раздельно для излучения и для приема радиоволн, причем для излучения радиоволн используют основной луч антенны, а для приема - суммарную или разностную ДН из основного и двух дополнительных лучей со смещением их осей в обе стороны от оси основного луча на половину ширины ДН основного луча по нулевому уровню для получения соответственно увеличенной или уменьшенной ширины результирующей ДН. В устройство малогабаритной фазированной антенной решетки РЛС с управляемой по ширине диаграммой направленности включены дополнительно два дополнительных приемных луча, а также сумматор, управляемый фазовращатель, переключатель прием - передача, смеситель сигналов основного и суммы дополнительных лучей. 2 с.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

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 (площади) антенны - А, длины волны - L 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•Pl•np•A/L² (1) С другой стороны, КНД антенны РЛС жестко связан с шириной ДН в вертикальной f_в и горизонтальной f_г плоскостях соотношением (см. там же стр. 56): В литературе (см. Справочник по основам радиолокационной техники под ред. В. В. Дружинина. Воениздат. М. 1983 г., стр. 32) приводятся следующие зависимости правильности обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги от ширины ДН антенны.

Вероятность принятия правильных и ошибочных решений о наличии цели можно рассчитать, зная плотности распределения вероятностей сигнала и помех. Величина их отношения, называемого отношением правдоподобия - #, является по критерию Неймана-Пирсона основанием для принятия решения о наличии цели в случае его превышения заданного порогового значения - #_пор.

Величина порогового значения - #_пор выбирается так, чтобы вероятность ложной тревоги Р_лт не превышала допустимого значения Р_{лт. доп.} Реально в существующих радиолокаторах, работающих в режиме обзора пространства, сигнал цели представляет собой пачку импульсов. Количество импульсов в пачке - N_и определяется по формуле где F_u - частота следования импульсов; Q[0,5] - ширина ДН антенны по половинной мощности; n[а] - скорость вращения антенны (об./мин).

Вычисление вероятностей правильного обнаружения цели и ложной тревоги в общем виде представляет серьезные математические трудности. Однако в случае слабых сигналов, а этот случай и представляет практический интерес, указанные вероятности могут быть определены по следующим формулам:

где Р_по и Р_лт - вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги соответственно;
Ф(х) - интеграл вероятности;
& - отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе линейной части приемника;
N_и - 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 Р_по при заданной вероятности ложной тревоги Р_лт от величины отношения сигнал/шум & и числа обрабатываемых импульсов N_п можно найти пороговое значение отношения сигнал/шум & _пор, при котором будут обеспечены заданные вероятности Р_по и Р_лт при оптимальной обработке сигналов:

где х(Р_по, Р_лт) - абсцисса точки на характеристике, соответствующая заданным вероятностям Р_по и Р_лт.

Выражение 6 показывает, что при одних и тех же условиях отношение сигнал/шум обратно пропорционально корню квадратному от числа обрабатываемых импульсов N_и.

В указанном выше Cправочнике 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:

где Y_a - 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.

Изложенное позволяет сделать следующие важные выводы.

1. Величина порогового отношения сигнал/шум, снижение которой повышает дальность действия РЛС, обратно пропорциональна корню квадратному от числа обрабатываемых импульсов N_и (выр. 6), которое прямо пропорционально ширине ДН антенны РЛС (выр. 3).

В результате, для обеспечения повышения дальности действия РЛС необходимо увеличивать ширину ДН антенны РЛС.

2. Угловая ошибка измерения пеленга на цель прямо пропорциональна ширине ДН антенны РЛС (выр. 7). Для повышения точности пеленгования необходимо уменьшать ширину ДН антенны РЛС.

Следовательно, РЛС с широкой ДН обеспечивают увеличенную дальность обнаружение целей, а с узкой - лучшую точность пеленгования.

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.

Одним из классов антенн, нашедших широкое применение в радиолокации, в первую очередь в диапазоне сравнительно низких частот являются антенные решетки, представляющие собой совокупность излучателей (вибраторов), расположенных в одной плоскости, в одном или в двух направлениях.

Главной особенностью антенных решеток является возможность электрического (фазового или частотного) управления направлением ее диаграммы направленности. Для этого необходимо изменять распределение поля по раскрыву антенны. Теоретически возможно возбудить значительное число излучателей малых размеров таким образом, чтобы получить необходимое распределение поля по раскрыву.

В фазированных антенных решетках (ФАР) к каждому излучателю (вибратору) подключен регулируемый фазовращатель для сканирования луча антенны. Преимущество такой антенной решетки заключается в том, что сканирование луча осуществляется посредством перестройки небольших и легких фазовращателей, а не путем поворота массивной антенны.

Взаимодействие между излучателями определяет ширину диаграммы направленности ФАР.

В литературе (см., например, М.И. Финкельштейн. "Основы радиолокации". М. : Сов. Радио. 1973. стр. 414 и 415.) отмечается, что в линейной решетке вибраторов, расположенных на расстоянии S друг от друга, которые питаются с постоянной разностью фаз F_i между вибраторами, направление максимума главного лепестка _o будет таким, при котором сдвиг фаз F_i скомпенсирует сдвиг фаз за счет разности хода лучей, т.е.:

Отсюда:

а при малых углах Q_o, например, при Q_o<15:

При отклонении максимума ДН на угол Q_o "видимые" с этого поправления размеры всей системы убывают в число раз, равное Cos(Q_o). Соответственно увеличивается ширина луча до величины Q'[0,5]≈Q[0,5]/Cos(Q_o). Это ограничивает углы сканирования Q_o значениями порядка 30^o.

В литературе (см. указанный выше Справочник по радиолокации под редакцией М. Сколника, стр. 133) приводятся следующие зависимости ширины ДН ФАР по половинной мощности Q[О,5] град от числа элементов решетки N:

В том же справочнике М. Сколника на стр. 138-139 описываются системы формирования многолучевой ДН в ФАР, включающие схемы, которые излучают или принимают сигналы одновременно по многим лучам. Все лучи имеют одинаковую ширину, соответствующую полной длине апертуры всей антенны. С помощью переключателей выбирается один или более лучей, которые могут формироваться одновременно, причем число лучей ограничивается, в основном, допустимым числом приемников. В режиме передачи может быть также создана многолучевая диаграмма, но общая излучаемая мощность передатчика должна распределяться между всеми лучами. В общем случае системы формирования лучей отличаются гораздо большей сложностью по сравнению с фазированными решетками.

Схема формирования многолучевой ДН, принимаемая нами в качестве прототипа, приведена в указанном выше Cправочнике по радиолокации под ред. М. Сколник, т. 2 на стр. 138, рис. 3 г.

В указанной антенне многолучевая ДН формируется в одной плоскости. При этом каждый луч имеет, по существу, такие же КНД и ширину основного лепестка ДН, как для всей апертуры. Отдельные лучи антенны формируются с помощью диаграммообразующей матрицы Бласса, в которой М-1 однополюсных двухпозиционных переключателей обеспечивают выделение одного из М лучей. Для эффективной работы отдельные ДН должны удовлетворять критерию ортогональности, при котором направление максимума луча соответствует нулевым направлениям других лучей. Это соответствует пересечению лучей на уровне около 4 дБ. Этот метод отличается от других методов формирования лучей ФАР и их сканирования, при которых луч точно устанавливается в любом направлении. Высокая эффективность такой системы может достигаться в крупных решетках, однако для исключения образования паразитных лепестков необходим тщательный подход к конструированию.

Диаграмма направленности антенны РЛС в горизонтальной плоскости характеризует точность определения направления на обнаруженную цель. Для судовых навигационных РЛС, рассматриваемых нами в качестве одного из направлений практического использования предлагаемого изобретения, 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 табл. 1 приведены основные характеристики антенн некоторых отечественных судовых навигационных РЛС (СНРЛС), взятые из атласа "Судовые радиолокационные станции". Под редакцией А.М. Байрашевского. М.: Транспорт. 1986 г. (стр. 78-140). В указанных РЛС используются волноводно-щелевые антенны, являющиеся разновидностью ФАР с излучателями в виде горизонтально расположенных на узкой стенке прямоугольного волновода щелей.

Одним из существенных недостатков, свойственных антенному посту - прототипу, а также всем перечисленным в таблице антенным постам, а также антенным постам практически всех существующих судовых навигационных РЛС, является сравнительно большие горизонтальные размеры используемых в них 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.

Отсюда следует, что одним из злободневных направлений совершенствования антенн РЛС является поиск путей уменьшения их горизонтальных размеров, а следовательно, и радиуса обметания.

Сущность изобретения "Способ формирования и устройство малогабаритной фазированной антенной решетки РЛС с управляемой по ширине диаграммой направленности" состоит в следующем.

Предлагается способ формирования малогабаритной фазированной антенной решетки РЛС с управляемой по ширине диаграммой направленности, при котором для формирования приемопередающей диаграммы направленности антенны используют многолучевую фазированную антенную решетку, отличающийся тем, что для формирования передающей и приемной диаграмм направленности фазированной антенной решетки (ФАР) РЛС используют различное число отдельных лучей ФАР, формируют передающую диаграмму направленности за счет использования для излучения радиоволн одного - основного луча ФАР, формируют приемную диаграмму направленности, отличную от передающей, для чего используют при приеме отраженных сигналов указанный основной луч и два дополнительных луча, оси диаграмм направленности которых повернуты в горизонтальной плоскости осями относительно оси основного луча вправо и влево на угол, равный половине ширины диаграммы направленности основного луча по нулевому уровню, защищают приемные тракты дополнительных лучей от проникновения энергии передатчика при излучении радиоволн, изменяют фазу принимаемых сигналов дополнительных лучей относительно фазы сигналов основного луча, смешивают сигналы, принятые основным и дополнительными лучами, управляют шириной приемной и приемопередающей диаграмм направленности антенны от минимальной до максимальной, плавно изменяют фазу принимаемых сигналов в трактах дополнительных лучей относительно фазы сигнала основного луча от противоположной, когда указанные сигналы вычитаются, результирующая приемная диаграмма направленности в дальней зоне является разностной диаграммой основного луча и двух дополнительных лучей, а приемопередающая является результатом перемножения передающей диаграммы основного луча и полученной результирующей приемной диаграммы, до совпадающей, когда указанные сигналы при приеме суммируются, результирующая приемная диаграмма направленности в дальней зоне является суммарной диаграммой основного и двух дополнительных лучей, а приемопередающая - произведением передающей и суммарной приемной.

Предлагается устройство для осуществления способа формирования малогабаритной фазированной антенной решетки РЛС с управляемой по ширине диаграммой направленности в составе линейно расположенных излучателей и диаграммообразующей схемы (матрицы Бласса), имеющей многолепестковую диаграмму направленности, отличающееся тем, что в состав многолепестковой ФАР, наряду с основным лепестком (лучом), использующимся как для излучения, так и для приема радиоволн, включены два идентичных основному дополнительных луча, оси диаграммы направленности которых расположены в горизонтальной плоскости по обе стороны от оси основного луча с угловым смещением, равным половине ширины диаграммы направленности основного луча по нулевому уровню, использующихся только для приема отраженных сигналов, что обеспечивает управление шириной приемной и приемопередающей диаграммами направленности РЛС путем сложения или вычитания отраженных сигналов, принимаемых основным и дополнительными лучами антенны, кроме того, в состав антенного устройства дополнительно включены сумматор СВЧ-сигналов дополнительных лучей, управляемый фазовращатель, позволяющий плавно изменять фазу поступающих к нему с выхода сумматора суммы сигналов дополнительных лучей относительно фазы сигналов основного луча, а также переключатель прием - передача антенны, препятствующий проникновению в СВЧ-тракты дополнительных приемных лучей излучаемой передатчиком мощности из СВЧ-тракта основного луча, в состав СВЧ-тракта основного луча включен смеситель, обеспечивающий подсоединение к указанному тракту основного луча суммы сигналов дополнительных лучей, причем СВЧ-тракты дополнительных лучей соединены с первым и вторым входами сумматора, выход которого соединен с входом управляемого фазовращателя, выход управляемого фазовращателя соединен с входом переключателя прием - передача антенны, СВЧ-тракт основного приемопередающего луча ФАР соединен с первым плечом смесителя, второе плечо которого соединено с выходом переключателя прием - передача антенны, суммирующее плечо смесителя соединено с входом-выходом антенны, дистанционно управляемые СВЧ-согласующие устройства обеспечивают плавное изменение фазы принимаемых дополнительными приемными лучами ФАР сигналов относительно фазы сигналов, принимаемых основным приемопередающим лучом ФАР, благодаря чему обеспечивается плавное изменение ширины результирующей приемной и приемопередающей диаграмм направленности ФАР РЛС за счет смешивания при приеме радиоволн сигналов основного и двух дополнительных лучей ФАР с различной фазой и перемножения сформированной приемной диаграммы на диаграмму направленности основного луча ФАР, использующегося 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
Фиг. 1 Диаграммы направленности малогабаритной ФАР РЛС для основного - 1 и дополнительных - 2 и 3 лучей антенны.

Фиг. 2 Разностная и суммарная (1 и 2, соответственно) диаграммы направленности ФАР РЛС при приеме сигналов.

Фиг.3 Приемопередающие диаграммы направленности основного луча ФАР РЛС - 1, разностной - 2 и суммарной - 3.

Фиг.4 Блок-схема малогабаритной ФАР РЛС.

Фиг. 5 Внешний вид установленных на мачте судна антенны-прототипа - а и предлагаемой ФАР РЛС - б.

На фиг.4 обозначены:
1 - малогабаритная ФАР РЛС;
2 - фазированная антенная решетка;
3 - диаграммообразующая схема (матрица Бласса);
3.1 - СВЧ-тракт основного приемопередающего луча ФАР;
3.2 - СВЧ-тракт правого дополнительного приемного луча ФАР;
3.3 - СВЧ-тракт левого дополнительного приемного луча ФАР;
3.4 - направленный ответвитель;
3.5 - поглощающая нагрузка;
4 - сумматор;
5 - управляемый фазовращатель;
6 - переключатель прием - передача антенны;
7 - смеситель;
8 - вход-выход антенны;
1L - диаграмма направленности основного приемопередающего луча;
2L - диаграмма направленности левого дополнительного приемного луча;
3L - диаграмма направленности правого дополнительного приемного луча;
4L - угловое смещение диаграмм направленности дополнительных лучей;
S - линейное смещение излучателей в ФАР;
n - число излучателей в ФАР.

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 принципах 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 основному лучу антенны и излучается в пространство. Диаграмма направленности луча при излучении соответствует кривой 1 на фиг.1.

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

Принятые дополнительными приемными лучами сигналы смешиваются синфазно или в противофазе с сигналами основного луча. 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 основного и двух дополнительных лучей, диаграммы направленности которых представлены на фиг.1.

Пунктирной линией на фиг.2 показана ДН основного луча, 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 основного луча 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.

На фиг.4 представлен состав основных устройств предлагаемой антенны РЛС - 1.

Антенна включает в свой состав фазированную антенную решетку 2 и диаграммообразующую схему (матрицу Бласса) 3, формирующие три идентичных луча 1L, 2L и 3L, из которых один - основной 1L используется как для излучения энергии, так и для приема отраженных сигналов, а два дополнительных 2L и 3L, расположенных в горизонтальной плоскости симметрично правее и левее основного, со смещенными от оси ДН основного луча осями диаграмм направленности на угол 4L, равный половине ширины диаграммы направленности основного луча по половинной мощности, используются только для приема отраженных сигналов.

Основной луч 1L имеет приемопередающий СВЧ-тракт 3.1.

Каждый из приемных дополнительных лучей 2L и 3L имеет свои СВЧ-тракты 3.2 и 3.3. Связи излучателей ФАР с СВЧ-трактами осуществляется с помощью направленных ответвителей 3,4 и поглощающих нагрузок 3,5. СВЧ-тракты дополнительных лучей соединены с входами 1 и 2 сумматора 4, соединенного своим выходом с входом управляемого фазовращателя 5, обеспечивающего изменение фазы принимаемых дополнительными лучами 2L и 3L сигналов относительно фазы сигналов в СВЧ-тракте 3,1 основного луча антенны 1L. Для предотвращения попадания генерируемой передатчиком РЛС мощности из приемопередающего СВЧ-тракта основного луча антенны 3,1 в приемные СВЧ-тракты дополнительных лучей 3,2 и 3,3, в состав ФАР включен СВЧ-переключатель прием - передача 6, соединенный входом с выходом управляемого фазовращателя 5.

Для обеспечения смешивания сигналов, принимаемых основным и дополнительными лучами, в состав антенны РЛС включен СВЧ-смеситель 7, соединенный своим выходом-входом с приемопередающим СВЧ-трактом основного луча антенны 3,1, входом - с выходом переключателя прием - передача 6, а входом-выходом - с СВЧ-трактом антенны РЛС 8, соединяющим антенну 1 с аппаратурой РЛС.

Функционирует предлагаемая антенна следующим образом.

Генерируемый передатчиком РЛС сигнал поступает по СВЧ- тракту антенны РЛС 8 в СВЧ-смеситель 7, откуда по приемопередающему СВЧ-тракту 3,1 к основному лучу 1L и излучается в пространство. Поступлению генерируемых сигналов в приемные СВЧ-тракты дополнительных лучей 2L и 3L препятствует СВЧ-переключатель прием - передача 6.

Отраженные целью сигналы поступают в основной луч антенны 1L и, со смещением на угол 4L относительно оси основного луча антенны вправо и влево, в дополнительные приемные лучи антенны 2L и 3L. От основного луча антенны 1L принятые сигналы по тракту 3.1 поступают к смесителю 7.

Принятые дополнительными приемными лучами антенны 2L и 3L сигналы по СВЧ-трактам 3,2 и 3,3 поступают на входы 1 и 2 сумматора 4, суммируются и с выхода сумматора поступают на вход управляемого фазовращателя 5. С выхода управляемого фазовращателя 5 сумма сигналов дополнительных лучей поступает на вход СВЧ-переключателя прием - передача 6, с выхода которого поступает на вход смесителя 7. Управляемый фазовращатель 5 обеспечивает заданное изменение фазы принимаемых лучами 2L и 3L сигналов от совпадающей до противоположной.

В результате, в смеситель 7 поступают три сигнала - от основного луча антенны и сумма сигналов от дополнительных лучей антенны, смещенных по фазе относительно основного на заданный устройством 5 угол.

Результирующий сигнал будет суммой или разностью основного сигнала и двух дополнительных. При полном совпадении фаз смешиваемых сигналов приемопередающая 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^o 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^o, можно плавно изменять ширину ДН предлагаемой антенны от максимальной - кривая 3 до минимальной - кривая 2 на фиг.3.

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 ФАР 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 табл. 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 табл. 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 предлагаемые 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. Выше было показано, что для улучшения 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, обеспечивающей получение большего числа отраженных и обрабатываемых импульсов - N_и. Однако после обнаружения цели определение направления на нее целесообразно производить с использованием более узкой ДН для повышения точности пеленгования.

Предложенные 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. 5,б 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 обнаружении 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 шириной ДН, обеспечивающей повышение точностных характеристик РЛС.

В последнем 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 имеющую ту же точность пеленгования предлагаемую антенну. При этом необходимо учесть, что при линейном увеличении размеров антенны и ее радиуса обметания размеры площадок для установки антенны изменяются во всех трех измерениях.

При уменьшении габаритов антенн 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 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.

Из изложенного следует, что предлагаемые способ формирования и устройство малогабаритной фазированной антенной решетки РЛС с управляемой по ширине диаграммой направленности работоспособно и имеет ряд преимуществ перед аналогичными существующими антеннами.

Формула изобретения

1. Способ формирования малогабаритной фазированной антенной решетки РЛС с управляемой по ширине диаграммой направленности (ДН), при котором для формирования приемопередающей ДН антенны используют многолучевую фазированную антенную решетку (ФАР), отличающийся тем, что для формирования передающей и приемной ДН фазированной антенной решетки РЛС используют различное число отдельных лучей ФАР, формируют передающую ДН за счет использования для излучения радиоволн одного - основного луча ФАР, формируют приемную ДН, отличную от передающей, для чего используют при приеме отраженных сигналов указанный основной луч и два дополнительных луча, оси ДН которых повернуты в горизонтальной плоскости осями относительно оси основного луча вправо и влево на угол, равный половине ширины ДН основного луча по нулевому уровню, защищают приемные тракты дополнительных лучей от проникновения энергии передатчика при излучении радиоволн, изменяют фазу принимаемых сигналов дополнительных лучей относительно фазы сигналов основного луча, смешивают сигналы, принятые основным и дополнительными лучами, управляют шириной приемной и приемопередающей ДН антенны от минимальной до максимальной, плавно изменяя фазу принимаемых сигналов в трактах дополнительных лучей относительно фазы сигнала основного луча от противоположной фазы, когда указанные сигналы вычитаются, результирующая приемная ДН в дальней зоне является разностной ДН основного луча и двух дополнительных лучей, а приемопередающая ДН является результатом перемножения передающей ДН основного луча и полученной результирующей приемной ДН до совпадающей фазы, когда указанные сигналы при приеме суммируются, результирующая приемная ДН в дальней зоне является суммарной ДН основного и двух дополнительных лучей, а приемопередающая ДН - произведением передающей и суммарной приемной.

2. Устройство для осуществления способа формирования малогабаритной фазированной антенной решетки РЛС с управляемой по ширине диаграммой направленности в составе линейно расположенных излучателей и диаграммообразующей схемы, имеющей многолепестковую ДН, отличающееся тем, что в состав ФАР наряду с основным лучом, использующимся как для излучения, так и для приема радиоволн, используют два идентичных основному дополнительных луча, оси ДН которых расположены в горизонтальной плоскости по обе стороны от оси основного луча с угловым смещением, равным половине ширины ДН основного луча по нулевому уровню, использующихся только для приема отраженных сигналов, что обеспечивает управление шириной приемной и приемопередающей ДН РЛС путем сложения или вычитания отраженных сигналов, принимаемых СВЧ-трактом основного приемопередающего луча и СВЧ-трактами дополнительных лучей, кроме того, в состав антенного устройства включены сумматор СВЧ-сигналов дополнительных лучей, управляемый фазовращатель, позволяющий плавно изменять фазу поступающих к нему с выхода сумматора сумм сигналов дополнительных лучей относительно фазы сигналов основного луча, а также переключатель прием - передача антенны, препятствующий проникновению в СВЧ-тракты дополнительных приемных лучей излучаемой передатчиком мощности из СВЧ-тракта основного луча, в состав СВЧ-тракта основного луча включен смеситель, обеспечивающий поступление к указанному тракту основного луча суммы сигналов дополнительных лучей, причем СВЧ-тракты дополнительных лучей соединены с первым и вторым входами сумматора, выход которого соединен со входом управляемого фазовращателя, выход управляемого фазовращателя - со входом переключателя прием - передача антенны, СВЧ-тракт основного приемопередающего луча ФАР соединен с первым плечом смесителя, второе плечо которого соединено с выходом переключателя прием - передача антенны, суммирующее плечо смесителя соединено со входом-выходом антенны, дистанционно управляемые СВЧ-согласующие устройства обеспечивают плавное изменение фазы сигналов, принимаемых СВЧ-трактами дополнительных лучей, относительно фазы сигналов, принимаемых СВЧ-трактом основного приемопередающего луча, благодаря чему обеспечивается плавное изменение ширины результирующей приемной и приемопередающей ДН ФАР РЛС за счет смешивания при приеме радиоволн сигналов основного и двух дополнительных лучей ФАР с различной фазой и перемножения сформированной приемной диаграммы на ДН основного луча ФАР, использующегося для облучения целей, причем минимальная ширина приемопередающей ДН получается при смешивании принимаемых сигналов в противофазе, а максимальная - при смешивании сигналов в фазе с плавным изменением ширины ДН при промежуточных соотношениях фаз.

РИСУНКИ

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

PD4A - 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

---