Статья: Анализ возможности модернизации системы стабилизации антенны с частотным способом сканирования

Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. 

Том 9. Вып. 4. 2010.

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ МОДЕРНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ АНТЕННЫ С ЧАСТОТНЫМ СПОСОБОМ СКАНИРОВАНИЯ

Суханов В.В.

Аннотация

В настоящее время есть ряд недостатков существующих систем стабилизации антенн радиолокационных станций обнаружения, которые ограничивают их функциональное применение. В статье рассмотрен вопрос применения частотных антенных решёток для электронной стабилизации их диаграмм направленности в плоскости горизонта.

Ключевые слова: частотная антенная решётка, система стабилизации.

Annotation

ANALYSIS OF THE POSSIBILITY TO MODERNIZATIONS OF THE SYSTEM TO STABILIZATIONS ANTENNA WITH FREQUENCY WAY OF THE SCAN

Suhanov V.

At present, there is row defect existing systems to stabilizations of the antennas radar station finding, which enter the restrictions on their functional using. Question of the using frequency antenna lattice is considered In article for electronic stabilization of their diagrams to directivities in planes of the horizon.

Keywords: frequency antenna lattice, system to stabilizations.

В РЛС для удержания в пространстве вертикальной оси вращения антенны станции обнаружения цели (СОЦ) перпендикулярно плоскости горизонта, и как следствие и максимума диаграммы направленности антенны, как при движении БМ, так и на стоянке, предназначена система стабилизации. Обычно, в её состав входят электромеханические (гидроэлектромеханические) исполнительные устройства. Инерционность работы таких исполнительных устройств ограничивает максимальные скорость и ускорения движения самохода, на котором размещена РЛС. Кроме того, сложность этих устройств делает их недостаточно надёжными. Необходимо отметить, что использование электрогидромеханического управления для системы стабилизации связано с рядом факторов, ухудшающих характеристики РЛС. Так, в частности, время готовности всех систем при включении аппаратуры связано с необходимостью выхода на «номинальный» режим работы элементов СВЧ тракта передающей системы и системы стабилизации (обеспечение необходимого температурного режима, номинального давления в волноводах и трубопроводах и т. д.). Кроме того, имеется ряд ограничений, например, таких как скорость и ускорение изменения углов наклона плоскости самохода относительно плоскости горизонта при движении БМ.

В последнее время широкое применение в качестве зондирующего радиолокационного сигнала используются сложные сигналы, в частности с линейно-частотной модуляцией. Удобным в СОЦ для сканирования в вертикальной плоскости, при решении задачи обнаружения, оказывается использование антенных решёток с частотным сканированием.

Анализ структуры и устройства системы стабилизации, а также принципа сканирования антенны СОЦ с частотным сканированием показывает, что, с одной стороны, их основу составляет электро-гидро-механическое управление вертикальной осью антенны СОЦ в плоскости горизонта. С другой стороны, для указанного выше вида антенн возможно применение электронного управления диаграммой направленности в пространстве в угломестной плоскости.

При модернизации возможно изменив (дополнив) существующий тракт формирования зондирующего сигнала, конструктивно расположенного в приёмной системе, добиться решения тех же задач, что и при механической стабилизации. Для этого вспомним принцип частотного сканирования.

При частотном сканировании угловое положение 1 оси диаграммы направленности есть функция частоты f1 передатчика. Скорость сканирования диаграммы направленности равна скорости изменения частоты передатчика, то есть девиации частоты.

На рисунке 1 приводятся геометрические соотношения для частотного сканирования антенной решёткой, состоящей из двух излучателей.

На рисунке 1 даны следующие обозначения:

1 - вход высокочастотной энергии;

2, 3 - излучатели высокочастотной энергии;

4 - оконечная поглощающая нагрузка;

d - расстояние между излучателями в решётке;

S - расстояние в волноводном тракте, соединяющем излучатели;

АА - волновой фронт;

N - нормаль к прямой, на которой расположены излучатели;

N1 - нормаль к волновому фронту (ось диаграммы направленности).

Положение волнового фронта, а, следовательно, и положение оси диаграммы направленности в пространстве зависит от фазовых соотношений электрических колебаний в излучателях. Волновой фронт АА в плоскости представляет собой линию, вдоль которой сигнал, излучаемый излучателем (2), находится в фазе с сигналом излучателя (3).

Рисунок 1 ? Геометрические соотношения для частотного сканирования

Электромагнитная волна, излучаемая излучателем (2), проходит в свободном пространстве расстояние li = d sin , а к излучателю (3) электромагнитные колебания проходят дополнительное расстояние li = S в тракте, соединяющем оба излучателя.

Пусть ₀ - длина волны в свободном пространстве;

_в - длина волны в волноводном тракте, соединяющем излучатели;

n - целое число.

Тогда из рисунка 1 следует:

(1)

Из выражения (1) находим

(2)

Из выражения (2) видно, что = (₀), то есть при изменении частоты передатчика положение оси диаграммы направленности будет изменяться. Выражение (2) справедливо для линейки излучателей. Используя такую линейку излучателей в качестве облучателя, расположенного на фокальной линии цилиндрического параболического отражателя с вертикальной образующей цилиндра, получим зеркальную антенну частотного сканирования в угломестной плоскости.

Для того, чтобы осуществить сканирование в большом секторе и при этом изменять частоту генератора в небольших пределах, нужно использовать антенны с большим замедлением, когда отношение велико. Однако, следует отметить, что с увеличением замедления падает КПД антенны за счёт потерь в линии. Это ограничивает длину решётки, а следовательно, и минимально допустимую ширину диаграммы направленности.

Определение пределов наклона ДН СОЦ при изменении несущей частоты зондирующего сигнала

Как правило, системы стабилизации обеспечивают удержание антенны СОЦ в вертикальном положении в движении при наклонах корпуса самохода вокруг продольной и поперечной осей в диапазоне ±10°. Можно выдвинуть гипотезу о возможности реализации этой особенности в интересах электронной стабилизации диаграммы направленности антенны. Для этого необходимо обосновать возможность работы электронной стабилизации путём нахождения набега фазы, которая должна входить в диапазон ±10° при изменении несущей частоты зондирующего сигнала.

Выражение определяющее частотный способ сканирования и определяющее положение главного лепестка диаграммы направленности имеет вид

(3)

где о - угол наклона главного лепестка диаграммы направленности ФАР относительно нормали в угломестной плоскости;

d - расстояние между излучателями;

S - длина волновода между соседними излучателями;

л₀ - длина волны в свободном пространстве;

л_в - длина волны в излучателе (волноводе);

m - порядок волны, указывающий на номер луча.

Учитывая, что в рассматриваемой диаграмме направленности речь идёт только о главном луче, то порядок волны равен нулю, следовательно, выражение (3) перепишем

(4)

Необходимо определить набег фаз в волноводе между двумя соседними излучателями при изменении угла наклона диаграммы направленности в угломестной плоскости:

(5)

где - фазовая постоянная;

ш - набег фаз.

Тогда подставив выражение определяющее фазовую постоянную в выражение (5) получим

(6)

Из выражения (6) выразим значение набега фаз в волноводе между двумя соседними излучателями:

(7)

Выразим набег фаз ш через геометрические размеры антенной решётки:

(8)

Подставим выражение (8) в (7) и получим

Так как S=nл_в, то получим

Отсюда следует, что

, (9)

где a - ширина широкой стенки волновода.

Выражение (9) определяет зависимость между критической длиной волны и длиной волны в свободном пространстве.

Благодаря этим данным можно найти достижимый ш_д набег фаз по формуле (8). Под достижимым набегом фаз понимается разница между фазами гармонического колебания при прохождении электромагнитной волной в волноводе расстояния S.

Схема электронной стабилизации диаграммы направленности антенны СОЦ

В процессе работы предлагаемой схемы электронной стабилизации диаграммы направленности антенны СОЦ необходимо изменять параметры зондирующего сигнала, в масштабе реального времени. Данные об углах наклона плоскости самохода относительно плоскости горизонта можно использовать из штатной танковой навигационной аппаратуры типа ТНА-4 (или аналогичной) или из приёмника глобальной системы позиционирования GPS/Глонасс. Так как предложено использовать свойства частотного сканирования диаграммой направленности антенны СОЦ, то в схему будет включён автогенератор с частотной модуляцией. Сигнал с выхода этого генератора будет служить частотной добавкой для изменения углового положения диаграммой направленности антенны. Для того, чтобы изменить параметры имеющегося зондирующего сигнала в зависимости от необходимого угла наклона между плоскостью самохода и плоскостью горизонта в схему нужно добавить смеситель.

Предлагаемая схема содержит автогенератор с частотной модуляцией и смеситель. На автогенератор с частотной модуляцией из навигационной системы поступают сигналы управления, вырабатываемые в преобразователе координат. Автогенератор с частотной модуляцией вырабатывает напряжение гармонической формы частота которого пропорциональна величине сигналов и (углы наклона плоскости самохода относительно плоскости горизонта). Далее это напряжение будет называться f_ССТ. Гармоническое напряжение f_ССТ поступает на смеситель. На выходе смесителя сигнал будет иметь добавку частоты пропорциональную углам наклона объекта относительно плоскости горизонта f_ЗГ+f_ССТ. Последующая работа тракта формирования зондирующих сигналов остаётся без изменений.

Таким образом, предлагаемая схема будет иметь вид, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема устройства электронной стабилизации диаграммы направленности антенны СОЦ

антенна радиолокационный электронный

Таким образом, применение частотных антенных решёток в обзорных РЛС позволяет решить задачу электронной стабилизации диаграммой направленности антенны в плоскости горизонта.

Литература

1. Шахгильдян В. В., Власов В. А., Козырев В. Б. и др. Проектирование радиопередающих устройств. М., Радио и связь, 1993. 512 с.

2. Нефёдов Е. И. Устройства СВЧ и антенны. М., «Академия», 2009. 384 с.