Способ снижения уровня шума антенны и двухмодовая апертурная антенна

Изобретение относится к пассивной радиолокации и может использоваться в радионавигации и при проведении радиометрических исследований. Технический результат заключается в снижении уровня шумов антенны, в том числе при широкополосных и шумовых информационных сигналах, с возможностью приема антенной сигналов от быстропротекающих процессов. Способ уменьшения уровня шума антенны основан на одновременном формировании двух диаграмм направленности антенны: игольчатой формы на волне Н₁₁ и формы полого конуса на волне E₀₁ с последующим разделением этих волн в модовом разделителе и формировании выходного сигнала как разности амплитудно продетектированных сигналов, принятых на волнах Н₁₁ и E₀₁. Двухмодовая антенна содержит модовый разделитель, обеспечивающий разделение мощности, принимаемой на волнах Н₁₁ и E₀₁. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к пассивной радиолокации и может быть использовано в радионавигации и при проведении радиометеорологических исследований.

Цель изобретения - снижение уровня шума антенны.

Известны способы снижения уровня шума антенны за счет уменьшения коэффициента рассеяния антенны [1] или использованием амплитудно-фазовой компенсации в двухканальных антеннах [2]. Уменьшение коэффициента рассеяния не позволяет уменьшить уровень собственных шумов антенны и шумов объектов, находящихся на поверхности антенны (например, слой осадков). Кроме того, уменьшение коэффициента рассеяния связано с уменьшением коэффициента использования площади антенны, а это приводит к уменьшению коэффициента усиления антенны.

Использование амплитудно-фазовой компенсации применимо только к сигналам с узким спектром.

Известен способ снижения уровня шума антенны с двумя типами волн [3], выбранный в качестве ближайшего аналога, основанный на том, что в антенне, рассчитанной для работы на двух типах волн и имеющей на одном типе волны (Н₁₁) игольчатую ДН, на которой принимается полезный сигнал, а на другом типе (E₀₁) - форму полого конуса, окружающего игольчатый луч, на котором принимается шумовой сигнал, равный по интенсивности шумовому сигналу, принимаемому на игольчатый луч, принятые антенной сигналы и снимаемые с селективного ответвителя антенны в синфазе и противофазе в виде сумм и где и - мощность, переносимая соответственно волнами Н₁₁ и E₀₁, подаются на синхронный детектор с интегратором, выходной сигнал которого формируется как произведение [4]

где R - сопротивление цепи интегратора. Но поскольку синхронный детектор по существу представляет собой преобразователь частоты, разностная частота которого равна нулю, то статистическое среднее выходное напряжение синхронного детектора представляет только напряжение сигнала, так как шумовые напряжения при усреднении по всем относительным фазам сводятся к нулю.

Антенна, реализующая данный способ [2], выполнена в виде конического рупора, питаемого волноводом круглого сечения с волнами Н₁₁ и E₀₁, содержащим селективный ответвитель, состоящий из двух зондов, расположенных в диаметрально противоположных точках поперечного сечения круглого волновода в плоскости Е волны Н₁₁.

Недостатки способа и антенны заключаются в следующем.

Использование синхронного детектирования предполагает наличие опорного сигнала, который на несущей частоте смешивается с приходящим сигналом, и сигнал на выходе СД зависит от амплитуды сигналов и от фазового сдвига между сигналом несущей частоты и опорным напряжением [5].

Таким образом, в данном способе одна часть сигнала (например, ) используется в качестве опорного сигнала, а другая часть в качестве сигнала детектирования, т.е. предполагается, что принимаемые антенной полезные сигналы должны иметь ярко выраженную несущую частоту, и, следовательно, такой способ не применим для снижения шумов антенны, когда информационный полезный сигнал имеет шумовую структуру. Кроме того, в синхронном детекторе среднестатистически поглощается только половина номинальной мощности шума, что дает ухудшение на 3 дБ, и только при наличии возможности накопления сигнала в течение достаточно длительного времени влияние шума становится пренебрежимо мало, что накладывает ограничение на использование способа при приеме сигналов, характеризующих быстро протекающие процессы.

Целью изобретения является снижение уровня шумов антенны, в том числе при широкополосных и шумовых информационных (полезных) сигналах, и снятие ограничений на прием антенной сигналов от быстро протекающих процессов, и двухмодовая антенна, реализующая данный способ.

Поставленная цель достигается тем, что в способе снижения уровня шумов антенны с целью снижения уровня шумов антенны формируются два выходных сигнала, принятые на волнах Н₁₁ и Е₀₁ путем введения модового разделителя на основе круглого волновода на выходе конической рупорной или волноводной двухмодовой антенны.

По второму варианту, для ответвления мощности сигнала, принятого на волне Н₁₁, выходное волноводное плечо модового разделителя ориентировано таким образом, что широкая стенка прямоугольного окна в круглом волноводе направлена вдоль оси волновода, при этом образуется трансформатор типа волн Н₁₁ в круглом волноводе в волну Н₁₀ в прямоугольном волноводе, а для ответвления мощности сигнала, принятого на волне E₀₁, выходное волноводное плечо модового разделителя ориентировано таким образом, что широкая стенка прямоугольного окна в круглом волноводе направлена перпендикулярно оси волновода, при этом образуется трансформатор типа волн E₀₁ в круглом волноводе в волну H₁₀ в прямоугольном волноводе.

По третьему варианту, для осуществления разделения волн Н₁₁ и E₀₁ в круглом волноводе модовый разделитель имеет следующий порядок включения трансформаторов типов волн: первоначально включается трансформатор типа волн Н₁₁ в круглом волноводе в волну Н₁₀ в прямоугольном волноводе, затем в круглом волноводе устанавливается режекторный фильтр, препятствующий прохождению волны Н₁₁, далее включается трансформатор типа волн E₀₁ в круглом волноводе в волну Н₁₀ в прямоугольном волноводе.

По четвертому варианту, каждый из двух выходных сигналов модового разделителя по отдельности проходит операцию амплитудного детектирования с целью получения двух выходных напряжений, пропорциональных в первом случае мощности смеси сигнал + шум (Р_с+Р_ш), а во втором случае - мощности шума (Р_ш).

По пятому варианту, реализация компенсации шума производится одновременной подачей продетектированных сигналов на схему вычитания, реализующую аналоговым или программным способом операцию нахождения разности сигналов пропорциональных смеси сигнал + шум (Р_с+Р_ш) и шуму (Р_ш), в результате выходной сигнал оказывается пропорциональным мощности сигнала на входе.

По шестому варианту, длительность формирования выходного сигнала обусловлена в основном длительностью накопления информационного сигнала, принимаемого на волне Н₁₁, без дополнительного времени на статистическое усреднение в операции компенсации, что не накладывает дополнительных ограничений на скорость изменения принимаемых сигналов.

По седьмому варианту, двухмодовая коническая рупорная антенна одновременно формирует две диаграммы направленности - игольчатую на волне Н₁₁ и диаграмму направленности формы полого конуса, окружающего игольчатый луч, на волне Е₀₁, с этой целью на выходе конической или волноводной антенны установлен модовый разделитель, выполненный на питающем антенну круглом волноводе с подключением в двух взаимно перпендикулярных плоскостях к его боковой стенке двух прямоугольных волноводов через прямоугольные окна во взаимно перпендикулярных плоскостях.

По восьмому варианту, в модовом разделителе во взаимно перпендикулярных плоскостях на расстоянии четверти длины волны от конца питающего антенну волновода прорезано прямоугольное окно - трансформатор волн Е₀₁, широкая стенка которого перпендикулярна оси круглого волновода, а на расстоянии четверти длины волны от режекторного фильтра прорезано прямоугольное окно - трансформатор волн Н₁₁, широкая стенка которого совпадает с осью круглого волновода.

По девятому варианту, режекторный фильтр в круглом волноводе для волны Н₁₁ реализуется в виде проводящего кольца, устанавливаемого внутри круглого волновода между трансформаторами типов волн.

На фиг.1 показана структурная схема антенны; на фиг.2 - конструкция модового разделителя.

Антенна содержит конический рупор 1; трансформатор типов волн Н₁₁→Н₁₀ 2; модовый фильтр 3; трансформатор типов волн E₀₁→H₁₀ 4; амплитудные детекторы 5, 6; компенсатор 7.

Устройство работает следующим образом. Широкополосный или шумовой сигнал, принимаемый коническим рупором 1, подается в круглый волновод, в котором возбуждаются волны Н₁₁ и Е₀₁, в трансформаторе типов волн Н₁₁→Н₁₀ 2, представляющим собой перпендикулярное подключение волновода, например прямоугольного, к боковой стенке круглого волновода, в которой имеется прямоугольное окно, широкая стенка которого параллельна оси круглого волновода и размеры которого ограничены размерами поперечного сечения подключенного волновода, осуществляется ответвление энергии переносимой волной Н₁₁ и подача ее на выход второго плеча. Структура поля волны E₀₁ в перпендикулярном плече в виде прямоугольного волновода не может возбудить волну Н₁₀, поскольку соответствующие составляющие вектора Е параллельны узкой стенке, одинаковы по амплитуде и направлены в противоположные стороны [6]. Режекторный фильтр 3, например, в виде проводящего кольца в поперечном сечении круглого волновода препятствует прохождению волны Н₁₁ и пропускает на вход трансформатора E₀₁→H₁₀ 4 только энергию, переносимую волной E₀₁. Трансформатор типов волн E₀₁→H₁₀ 4 представляет, например, перпендикулярное подключение прямоугольного волновода со стороны широкой стенки к круглому волноводу. Таким образом, на выходе трансформатора 4 (первое плечо) выделяется сигнал, пропорциональный только энергии волны E₀₁.

Сигнал с плеча 1 трансформатора 4, пропорциональный мощности шумов Р_ш, принятой антенной, возбужденной на волне E₀₁, подается на амплитудный детектор 5 и далее на первый вход компенсатора (схему вычитания), а сигнал с плеча 2 трансформатора 2, пропорциональный мощности Р_с+Р_ш, принятой антенной, возбужденной на волне Н₁₁, подается на амплитудный детектор 6 и далее поступает на второй вход компенсатора 7. Выходной сигнал компенсатора формируется как разность

Таким образом, на выходе компенсатора сигнал, пропорциональный мощности шумов, отсутствует.

Использование предложенного способа позволяет снизить шумы антенны не только с использованием узкополосных информационных сигналов, но и при использовании широкополосных и шумовых информационных сигналов. Кроме того, в данном способе отсутствует необходимость длительного накопления сигнала для получения эффекта полного подавления шумов, и, следовательно, отсутствуют ограничения на прием сигналов от быстро протекающих процессов.

Литература

1. Цейтлин Н.М. Антенная техника и радиоастрономия. - М.: Сов. радио, 1976. - 352 с.

2. Ямпольский В.Г., Фролов О.П. Антенны и ЭМС. - М.: Радио и связь, 1983. - 272 с.

3. Li Tingge. Reducing noise with dual mode antenna / Пат. США, кл. 343-100 (Н04В), №3461453, заявл. 30.08.67, опубл. 12.08.69.

4. Смогилев К.А., Воскресенский И.В., Филиппов Л.А. Радиоприемники СВЧ. - Военное издательство министерства обороны СССР, 1967. - 556 с.

5. Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот. - М.: Сов. радио, 1965. - 774 с.

6. Модель А.Н. Фильтры СВЧ в радиорелейных системах. - М.: Связь, 1967. - 352 с.

1. Способ снижения уровня шума антенны, основанный на приеме сигнала антенной, работающей на двух типах волн и имеющей на волне Н₁₁ игольчатую диаграмму направленности, на которую принимается полезный сигнал, а на волне E₀₁ - диаграмму направленности формы полого конуса, окружающего игольчатый луч, с формированием двух выходных сигналов, поступающих на амплитудные детекторы и затем на компенсатор, отличающийся тем, что формируются два выходных сигнала, принятые на волнах Н₁₁ и Е₀₁, путем введения модового разделителя на основе круглого волновода на выходе конической рупорной или волноводной двухмодовой антенны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для ответвления мощности сигнала, принятого на волне Н₁₁, выходное волноводное плечо модового разделителя ориентировано таким образом, что широкая стенка прямоугольного окна в круглом волноводе направлена вдоль оси волновода, при этом образуется трансформатор типа волн Н₁₁ в круглом волноводе в волну Н₁₀ в прямоугольном волноводе, а для ответвления мощности сигнала, принятого на волне Е₀₁, выходное волноводное плечо модового разделителя ориентировано таким образом, что широкая стенка прямоугольного окна в круглом волноводе направлена перпендикулярно оси волновода, при этом образуется трансформатор типа волн E₀₁ в круглом волноводе в волну Н₁₀ в прямоугольном волноводе.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для осуществления разделения волн Н₁₁ и E₀₁ в круглом волноводе модовый разделитель имеет следующий порядок включения трансформаторов типов волн: первоначально включается трансформатор типа волн Н₁₁ в круглом волноводе в волну Н₁₀ в прямоугольном волноводе, затем в круглом волноводе устанавливается режекторный фильтр, препятствующий прохождению волны Н₁₁, далее включается трансформатор типа волн E₀₁ в круглом волноводе в волну H₁₀ в прямоугольном волноводе.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждый из двух выходных сигналов модового разделителя по отдельности проходит операцию амплитудного детектирования с целью получения двух выходных напряжений, пропорциональных в первом случае мощности смеси сигнал + шум (Р_с+Р_ш), а во втором случае - мощности шума (Р_ш).

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что реализация компенсации шума производится одновременной подачей продетектированных сигналов на схему вычитания, реализующую аналоговым или программным способом операцию нахождения разности сигналов пропорциональных смеси сигнал + шум (Р_с+Р_ш) и шуму (Р_ш), в результате выходной сигнал оказывается пропорциональным мощности сигнала на входе.

6. Способ п.1, отличающийся тем, что длительность формирования выходного сигнала обусловлена в основном длительностью накопления информационного сигнала, принимаемого на волне Н₁₁, без дополнительного времени на статистическое усреднение в операции компенсации, что не накладывает дополнительных ограничений на скорость изменения принимаемых сигналов.

7. Двухмодовая рупорная антенна, формирующая две диаграммы направленности, с питающим волноводом круглого сечения, работающим в двухмодовом режиме на волнах Н₁₁ и Е₀₁, на котором выполнен модовый разделитель, путем подключения к его боковой стенке во взаимно перпендикулярных плоскостях двух прямоугольных волноводов через прямоугольные окна - трансформаторы, отличающаяся тем, что прямоугольное окно - трансформатор волны E₀₁, широкие стенки которого перпендикулярны оси волновода, прорезано на расстоянии четверти длины волны от закороченного конца питающего антенну волновода, а прямоугольное окно - трансформатор волны Н₁₁, широкие стенки которого параллельны оси волновода, прорезано на расстоянии четверти длины волны от режекторного фильтра для волны Н₁₁ питающего волновода.

8. Двухмодовая рупорная антенна по п.7, отличающаяся тем, что режекторный фильтр в круглом волноводе для волны Н₁₁ реализуется в виде проводящего кольца, устанавливаемого внутри круглого волновода между трансформаторами типов волн.