ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКАЯ АНТЕННА САМОЛЕТНОЙ АППАРАТУРЫ УВД

August 3, 2012 by admin Комментировать »

Стахов Е. А. Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева 4200111, Россия, Казань, К. Маркса, 10 факс:(8432)36-60-32, тел.:44-95-37; e-mail: root@kaiadm.kazan.ru


Аннотация Рассмотрена интерферометрическая решетка канала запроса аппаратуры УВД, в которой для устранения неоднозначности в отсчете угловой координаты использованы методы: коммутации базы; кодированного сигнала запроса, устраняющего влияние побочных лепестков на отсчет угла; мультипликативного приемного канала. Это позволило получить однозначное угловое разрешение аппаратуры УВД, сравнимое с угловым разрешением ФАР БРЛС. Возможность размещения электрически сканирующей малоэлементной интерферометрической решетки аппаратуры УВД вне раскрыва ФАР БРЛС существенно уменьшило взаимовлияние между ними.

I.  Введение

Автоматическое сопровождение цели в режиме обзора (АСЦРО) является одним из основных режимов функционирования современных и перспективных бортовых радиолокационных станций (БРЛС) гражданской, транспортной и боевой авиации, а также самолетов радиолокационного дозора. В комплексах управления воздушным движением (УВД) режим АСЦРО используется для контроля и управления движением воздушных судов (ВС) в районах аэродромов и др. Этот режим позволяет непрерывно получать информацию о всех целях в зоне обзора (ответственности) и выявлять наиболее опасные (важные) цели.

В зависимости от способа организации просмотра зоны обзора воздушного пространства, различают два варианта АСЦРО: сопровождение на проходе (СНП) и программируемое (активное) сопровождение. СНП используется в БРЛС с механическим сканированием луча антенны, где этапы АСЦРО выполняются в процессе последовательного просмотра всей зоны обзора. Программируемое (активное) сопровождение реализуется в БРЛС с ФАР, когда вначале производится обычный построчный или иной обзор пространства, а далее обнаруженные цели берутся на сопровождение.

II.  Теория

Полагая, что входные шумы равномерно распределены по временной и пространственной частотам [1], свойства БРЛС можно описать многомерной пространственно-временной функцией корреляции.

Пространственно-временная эквивалентность корреляционных функций позволяет оценить точность и разрешающую способность данных, получаемых от каждой из бортовых систем и предъявить технические требования, в том числе и к антенным системам аппаратур. Для того чтобы минимизировать возможность возникновения ошибок при отождествлении траекторий отметок, получаемых от аппаратуры УВД и БРЛС необходимо, чтобы их пространственно-временные корреляционные функции были бы достаточно близки. Применительно к антенным системам это предполагает близость, по крайней мере, форм диаграмм направленности (ДН) главных лепестков, определяемых сравнимыми по размерам апертурами антенн обеих аппаратур, или, другими словами, размещение в пределах габарита ВС двух крупногабаритных антенн. Однако, практически, на современных ВС размещение двух крупногабаритных антенн оказывается невозможным.

Поэтому на ВС, где БРЛС содержит зеркальную антенную систему, использовались различные методы комплексирования каналов УВД и БРЛС для работы на единую крупногабаритную антенну, а применение по дециметровому каналу УВД суммарноразностного способа повышения угловой разрешающей и пропускной способности позволило получить удовлетворительные результаты в режиме СНП [2].

Однако создание комплексированных направленных антенн на базе ФАР, обеспечивающих работу в режиме АСЦРО в двух различных (сантиметровом канал БРЛС и дециметровом канал УВД) диапазонах волн, является существенно более сложной задачей, чем в случае зеркальных антенн. Обладая значительными преимуществами по скорости управления лучом и многофункциональности работы, ФАР в тоже время существенно проигрывают в стоимости и в ширине рабочей полосы частот, что ограничивает использование ФАР в интегрированном бортовом радиоэлектронном оборудовании (БРЭО) или приводит к применению двух антенн, каждая из которых работает в своем узком диапазоне частот. Размещение на ВС нескольких крупногабаритных ФАР, как и в случае зеркальных антенн, практически невозможно.

Разработка многочастотных совмещенных антенн-решеток (МСАР), размещенных в одном раскрыве, рассматривалась в ряде публикаций [3,4,5]. В [6] перечислены возможные схемы МСАР. Анализ, проведенный в [3-6] показывает, что при реализации комплексированной ФАР на основе принципа совмещения, поведение элемента (ячейки) МСАР при сканировании имеет ряд отличий от периодических ФАР. Эти отличия происходят из-за снижения коэффициента усиления (КУ), появления специфических дополнительных боковых лепестков в МСАР, дополнительного рассогласования, вносимого излучателями соседних диапазонов, уменьшения сектора сканирования, изменения частотных свойств в каждом поддиапазоне. В МСАР в менее благоприятных условиях обычно оказывается ФАР более высокочастотного поддиапазона (поддиапазона БРЛС), характеристики которого ухудшаются в результате совмещения в большей степени. Перечисленные особенности привели к тому, что до сих пор нет сведений о практической реализации на этом принципе ФАР с необходимыми характеристиками.

Интерферометр состоит не мене чем из двух антенн, разнесенных на расстояние, измеряемое большим числом длин волн, поэтому ДН интерферометра представляет собой большое число узких лепестков с огибающей, соответствующей ДН одного элемента антенны. Так как интерферометр представляет малоэлементную разреженную решетку, то оказывается возможным вынести его за пределы раскрыва более высокочастотной ФАР БРЛС и тем самым минимизировать перечисленные выше нежелательные эффекты [7]. При этом интерферометр обеспечивает высокую угловую разрешающую способность, имея достаточно узкую ДН каждого из лепестков. Снижение коэффициента усиления по каналам аппаратуры УВД допустимо, так как здесь используется запросно-ответный режим работы, при котором дальность действия пропорциональна корню квадратному из потенциалов РЛС, а мощность ответного сигнала значительна т.к. ответный сигнал генерируется передатчиком аппаратуры УВД. Недостатком интерферометра является неоднозначность отсчета угловой координаты, которая устраняется последовательным изменением (коммутацией) базы. Однако, в случае аппаратуры УВД имеется возможность для устранения неоднозначности также использовать имеющиеся в запросном сигнале дополнительные кодовые импульсы, предназначенные для устранения влияния побочных лепестков [8] и мультипликативный метод построения канала приема.

Особенностью радиолокационной аппаратуры УВД является запросно-ответный режим работы, использующий трехимпульсный код [8]. Трехимпульсный код, наряду с определением параметров, необходимых для работы системы УВД, (информационные импульсы Pi и Рз) используется для устранения ложных сигналов, излученных (принятых) по побочным лепесткам ДН антенной системы (контрольный импульс Рг). Для повышения эффективности устранения влияния сигналов от побочных лепестков по запросу в некоторых случаях применяют формирование нескольких контрольных импульсов (импульсов запрета Р4 и т.д.) [8], однако работа устройства устранения влияния побочных лепестков в конечном итоге основывается на тех же принципах и допускает поэтапное наращивание качества.

III.  Эксперимент

В качестве примера рассмотрим построение интерферометрической антенной решетки аппаратуры УВД, комплексируемой с бортовой ФАР РЛС. Экспериментально исследованная интерферометрическая ФАР (ИФАР) канала запроса аппаратуры УВД, обеспечивает электрическое сканирование в секторе углов +30° синхронно с ФАР РЛС. ИФАР состоит из 4-х излучателей канала запроса, а канал приема ответного сигнала из двух излучателей. Приемник ответного сигнала с целью расширения динамического диапазона и повышения угловой разрешающей способности построен по мультипликативной схеме.

Два внутренних из четырех излучателей ИФАР канала запроса расположены друг относительно друга на расстоянии D=2A, и возбуждаются синфазно, через Y-циркулятор при передаче информационных импульсов Pi и Р3, а с третьего плеча циркулятора в режиме приема сигнал поступает на первый вход мультипликативного приемника.

Два внешних излучателя размещены на расстоянии 2D=4X. Они возбуждаются при передаче контрольного импульса Рг в противофазе (с помощью 180° фазовращателя в фидере).

Канал мультипликативного приема ответного сигнала содержит два излучателя, расположенных на расстоянии 0,5Х. Излучатели конструктивно могут располагаться отдельно от излучателей ИФАР канала запроса. Излучатели подключены к симметричным выводам кольцевого моста, с суммарного выхода моста сигнал поступает на второй вход мультипликативного приемника, а на разностный вход моста подается, в режиме передачи, контрольный импульс Р4 (если он предусмотрен). Устранение перегрузки на обоих входах мультипликативного приемника осуществляется диодными ограничителями.

Если требуется обеспечить более высокий коэффициент усиления ИФАР, то в качестве излучателей могут быть использованы антенны с более высоким КУ или антенная система из нескольких этажей.

Излучатели одной из половин запросной ИФАР и излучателей канала приема запитаны через управляемые фазовращатели, необходимые для обеспечения сканирования главного лепестка ДН в секторе +30°

Передающее устройство имеет два или три выхода: первый, через который поступают импульсы Pi и Рз трехимпульсного кода, подключенный через циркулятор к внутренним, возбуждаемым синфазно излучателям ИФАР; второй, через который поступает импульс Рг подавления влияния бокового излучения, подключенный к внешним, возбуждаемым в противофазе излучателям ИФАР; третий для контрольного импульса Р4 , служащего для устранения возможности запроса дальними побочными лепестками (если он предусмотрен).

В режиме передачи информационных импульсов Pi,P3 излучают внутренние элементы ИФАР, формируя три лепестка шириной по 20° каждый в установленном секторе +30° Излучаемый затем через внешние, возбуждаемые противофазно элементы ИФАР, контрольный импульс Рг, формирует 6 лепестков шириной 10° каждый. Так как внешние излучатели ИФАР возбуждены в противофазе, то провалы этих лепестков располагаются точно в направлениях максимумов ДН по которым переданы информационные импульсы Pi и Р3. Это приводит к тому, что запросно-ответный режим реализуется в секторе шириной + 2н-2,2°. под углами 0° и +20° . Однако приему сигналов с ложных направлений +20° препятствует то обстоятельство, что один из входов мультипликативного приемника подключен к приемной решетке из двух излучателей, формирующей ДН шириной порядка +15° (30°). Режим мультипликативного приема приводит к тому, что ширина ответного сигнала составит + 1-5-1,1°, т.е. сигналы с ложных направлений будут дополнительно ослаблены, а угловая разрешающая способность аппаратуры УВД будет соизмерима с аналогичным параметром ФАР БРЛС.

Введение дополнительного контрольного импульса Р4, передаваемого по разностной ДН двухэлементной приемной решетки, т.е. подачей этого сигнала на разностный вход кольцевого моста создаст ДН шириной порядка +30° с провалом под углом 0° и запретит посылку ответных сигналов с направлений +20°

Управляемыми от ЭВМ фазовращателями, включенными в одну из половин запросной ИФАР и канала приема, обеспечивается сканирование всех лепестков передающей и приемной ДН в секторе +30°

Эксперимент проводился в диапазоне аппаратуры УВД с использованием антенн типа 512 (зав.№№ 3002, 3007). Для осуществления сканирования диаграмм в секторе +30° использовались аналоговые фазовращатели.

Использование интерферометрических решеток в качестве запросных антенн канала УВД с описанным методом устранения неоднозначности при определении угловых координат показало, что возможно получение разрешающей угловой способности аппаратуры УВД сравнимой с угловым разрешением ФАР РЛС. Интерферометрическая ФАР аппаратуры УВД располагается вне раскрыва ФАР РЛС, позволяя резко уменьшить их взаимовлияние, а подача соответствующих команд на фазовращатели позволяет осуществить синхронное электрическое сканирование лучей обоих ФАР. Недостатком рассмотренного построения интерферометрической ФАР является возникновение, (при использовании одного контрольного импульса Рг) под значительными углами нескольких узких ложных зон запроса, вызывающих случайные ответные сигналы, которые, однако, не могут быть приняты корреляционным интерферометром и не мешают работе запросчика УВД, но при двух контрольных импульсах и использовании дополнительной приемной решетки как приемопередающей, формирующей в режиме передачи разностную ДН, этот недостаток устраняется.

I.    Список литературы

1.     Теоретические основы радиолокации/под ред.

В.     Е. Дулевича, М.: Сов. Радио 1978, 607 с.

2.     Стахов Е. А. Использование метода суммарноразностной обработки сигналов в бортовых антенных устройствах аппаратуры УВД, Изв. Вузов, Авиационная техника. № 1, 2003, с. 35-39.

3.     Isaac М., Osterman I. Multifunction microwave aperture concepts and potential, Proc. Nat. Aerospace Electron. Conf., 1972, n4, p. 197-204.

4.     Воскресенский Д. И., Пономарев Jl. И. Многочастотные сканирующие решетки, Изв. Вузов, радиоэлектроника, 1981, т. 24, 32, с. 4-15.

5.     Пономарев П. И., Степаненко В. И. Результаты анализа и оптимизации двухчастотной совмещенной волноводной ФАР. В кн.: Антенны. Под ред. А. А. Пистолькорса, М.: Радио и связь, 1986, вып. 34, с. 68-84.

6.     Проблемы антенной техники. Под ред. Л. Д. Бахраха и Д. И. Воскресенского, М.: Радио и связь, 1989, с. 368.

7.    Aviation Week and Space Technology, 12.03.1973,p.36-41

8.     Перевезенцев Jl. Т., Зеленков А. В. Огарков В. Н. Радиолокационные системы аэропортов. М.: Транспорт, 1981,с. 383.

THE AIRCRAFT-BASED AIR TRAFFIC CONTROL INTERFEROMETRIC ANTENNA

Stakhov Ye. A.

A. N. Tupolev Kazan State Technical University e-mail: root@kaiadm.kazan.ru

Abstract An interferometric array of the air traffic control interrogation link is reviewed. To eliminate the ambiguity in angular coordinate readings, the base switching and the request signal encoding have been used to remove the influence of parasite lobes, providing for the angular resolution of the АТС equipment comparable to that of airborne radar phased array antennas. The feasibility of placing the interferometric array outside the phased array antenna aperture of airborne radars considerably reduces intercoupling between them, while control of phase shifters offers a synchronous electric beam scanning for both phased arrays. The drawback to this design of interferometric phased array is that at considerable angles several false request zones occur (if only the P2 check pulse is used) generating random replies which, however, cannot be received by a correlation interferometer and do not affect the operation ofthe АТС interrogator. This drawback is remedied if two check pulses are utilized and an additional reception array is used as a transceiver generating a difference pattern in the transmission mode.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты