Размещено на http: //www. allbest. ru/
МГТУ им. Н.Э.Баумана
Пути развития систем ближней радиолокации миллиметрового диапазона волн
А.Б. Борзов, К.П. Лихоеденко, И.В. Муратов,
Г.Л. Павлов, В.Б. Сучков
Аннотация
Получена 11 августа 2009 г.
В статье рассматриваются тенденции развития бортовых систем ближней радиолокации (СБРЛ). Приведены результаты сравнительного анализа помехоустойчивости СБРЛ в различных частотных диапазонах. Рассмотрены технологические аспекты создания перспективной СБРЛ, функционирующей в диапазоне 53..60 ГГц. Сделаны выводы о дальнейших путях совершенствования техники и технологии отечественных бортовых СБРЛ.
Ключевые слова: системы ближней радиолокации, миллиметровый диапазон волн, помехоустойчивость.
Введение
С позиций системного подхода неконтактный датчик цели является информационной системой бинарного типа, формирующей исполнительные команды на основе анализа воздействий или процессов, поступающих на вход датчика по информационным каналам. К типичным процессам можно отнести сигналы электромеханических преобразователей контактного взаимодействия средств доставки с целью, временные процессы дистанционного режима и входные сигналы неконтактного датчика цели.
Датчики цели контактного и дистанционного действия хорошо изучены и проработаны. Их конструкция допускает миниатюрное и микроминиатюрное исполнение, особенно с появлением полупроводниковых акселерометров и низковольтных микропроцессоров. В случае неконтактных датчиков цели (НДЦ) проблем становится значительно больше и их решения не всегда очевидны.
По сути, НДЦ представляет собой бортовую и автономную систему ближней радиолокации (СБРЛ) в микроминиатюрном исполнении, которая работает в условиях высоких динамических нагрузок, при наличии естественных и искусственных помех при малых и сверхмалых временных ресурсах. При этом СБРЛ должно решать практически весь спектр задач, характерных для стационарных локационных систем.
Условия миниатюризации НДЦ предопределяет в большинстве случаев использование оптического информационного канала. К таким системам можно отнести НДЦ, построенных на полупроводниковых лазерах и инфракрасных излучателях. Однако эти системы имеют низкую помехоустойчивость в условиях интенсивных пыледымовых смесей, характерных для боевых условий применения. Причем эти ограничения проявляются на физическом уровне распространения энергии в пространстве и поэтому не устраняются алгоритмическими и схемотехническими решениями. радиолокация бортовой помехоустойчивость датчик
Известным выходом повышения помехоустойчивости НДЦ в условиях интенсивных естественных и искусственных помех является использование радиоволн в качестве информационного канала, что привело к появлению и широкому распространению практически на всех типах средств доставки радиотехнических НДЦ, которые можно разделить на две группы - автодинные и радиолокационные [1].
В ряде случаев допустимый объем НДЦ ограничен величиной в несколько кубических сантиметров, из которых значительную часть занимают устройства исполнительных цепей, источник питания и предохранительно-исполнительный механизм.
Поэтому, в нашей стране подавляющее большинство радиотехнических НДЦ построено на автодином принципе, при котором активный элемент передатчика (транзистор, диод, ..) по цепям управления одновременно является и приемным устройством. Использование автодина допускает максимальное упрощение и как следствие микроминиатюризацию приемо-передающего модуля (ППМ) НДЦ. Однако платой за простоту является его низкая помехоустойчивость и как следствие - низкая эффективность, поскольку автодинное построение НДЦ не позволяет обеспечить селекции по дальности. Иными словами, прогресса в использовании радиотехнических НДЦ на автодинах ждать не приходится.
Очевидной альтернативой автодинам является миниатюризация радиолокационных НДЦ, которая в первую очередь касается его приемо-передающей части. Зарубежный опыт показывает широкое использование универсальных НДЦ с радиолокационным каналом.
Для построения действительно перспективных НДЦ необходима разработка новых и использование новейших и перспективных методов и технологий, принципов действия и алгоритмов обработки сигнала, конструкторско-технологические решения по компоновке и размещению НДЦ на борту средств доставки и ряд других. Именно конструкторско - технологические решения при создании современных НДЦ радиолокационного типа являются целью данной статьи. При этом под НДЦ с радиолокационным канмлои будем понимать бортовую СБРЛ.
1. Проблемы повышения помехоустойчивости СБРЛ
В последнее время при проектировании СБРЛ основное внимание уделяется повышению их устойчивости к воздействию активных помех. Проблема представляется очень сложной, так как традиционные методы улучшения помехоустойчивости, связанные с использованием сложных зондирующих сигналов и специальных методов обработки отраженных сигналов в значительной мере исчерпали себя. Это связано с непрерывным совершенствованием и развитием средств радиоэлектронного противодействия потенциального противника. Так, например, в диапазоне метровых волн наземные GLQ - 3A, VLQ - 12 и переносные PLQ - 2 станции заградительных радиопомех обладают спектральной плотностью мощности помех свыше 100 Вт/МГц и могут создавать помеховый сигнал в полосе приемника СБРЛ, превышающий полезный на несколько порядков. Аналогичная ситуация наблюдается в диапазоне дециметровых и сантиметровых радиоволн, где помимо проблемы помехоустойчивости зачастую возникает проблема с электромагнитной совместимостью СБРЛ с различными радиолокационными, навигационными системами и системами связи и управления.
Поэтому перспективным представляется переход в миллиметровый диапазон волн (ММДВ), основные достоинства которого связаны с наличием в нем спектральных "окон затухания" радиоволн и возможность использования в габаритах СБРЛ направленных антенн. В отличие от метрового и дециметрового диапазонов, где затухание в чистой атмосфере не превышает 0,01 дБ/км, в ММДВ на длине волны л=5 мм поглощение составляет 18 дБ/км, что существенно затрудняет постановку активных помех в этом частотном диапазоне на физическом уровне.
При сравнении потенциальной помехоустойчивости СБРЛ ММДВ и автодинного НДЦ, работающего в метровом диапазоне волн, можно ограничиться рассмотрением функционирования их высокочастотных трактов в условиях активных помех.
Известно, что помеховый сигнал на входе автодина, соизмеримый с уровнем его излучаемой мощности, приводит к срыву автоколебаний, что делает проблематичным подавление помехового сигнала в его трактах обработки. Такую мощность помехового сигнала можно считать предельно допустимой, полагая, что при меньшем уровне помеховый сигнал может быть подавлен в трактах обработки СБРЛ.
Для оценки преимуществ СБРЛ ММДВ, функционирующих у земной поверхности, рассмотрим одну из возможных тактических ситуаций, при которой станция активных помех, прикрывающая позицию, располагается от нее на удалении Dn. К заданной позиции под углом г приближается средство доставки СБРЛ метрового и миллиметрового диапазонов, начинающим функционировать на высоте Н. Антенна СБРЛ обладает диаграммой направленности FСБРЛ(и,ц) с коэффициентом направленного действия (КНД) GСБРЛ и коэффициентом полезного действия зСБРЛ. Плотность потока мощности активной помехи на входе автодина, приводящей к срыву автоколебаний и выводу из строя СБРЛ, определяется как
,
где
- дальность до постановщика помех, Pn - мощность сигнала постановщика помех (Вт), а его антенна имеет диаграмму Fn(и,ц) и КНД - Gn, б- коэффициент затухания радиоволн в атмосфере (дБ/км).
Тогда плотность мощности помехи Рn, создающей на входе СБРЛ мощность Рср, при которой нарушается функционирование СБРЛ.
где л - длина волны в свободном пространстве.
Результаты расчетов по этому соотношению в виде зависимости Рn от дальности до постановщика помех Dn приведены на рис. 1.
При расчетах выбраны следующие значения исходных параметров: для СБРЛ метрового диапазона (л = 1,5 м): GСБРЛ = 5, зСБРЛ=0,2, б = 0,02 дБ/км, FСБРЛ (и,ц) = 0,9; для СБРЛ ММДВ (л=8 мм): GСБРЛ = 30, зСБРЛ = 0,8, б = 0.12 дБ/км, FСБРЛ (и,ц) = 0,3 и для сбрл ММДВ (л=5 мм): GСБРЛ = 30, зСБРЛ= 0,7, б = 16 дБ/км, FСБРЛ (и,ц) = 0.24. Предельно допустимая мощность принята равной Рср = 10-3 Вт. КНД постановщика помех Gn = 10, а минимальная высота, на которой может быть осуществлено срабатывание СБРЛ под действием активной помехи выбрана равной Н = 150 м. На такой и большей высотах эффективность средств доставки практически сводится к нулю.
Нетрудно видеть, что организация активного противодействия в ММДВ даже на длине волны л = 8 мм чрезвычайно затруднена. В самом деле, использование переносных станций типа PLQ с полупроводниковыми генераторами не дает заметного эффекта, так как потенциально возможный уровень излучаемой мощности (несколько десятков киловатт в импульсе) становится недостаточным уже при удалении станции на несколько сотен метров от защищаемой позиции. Наземные передвижные станции типа GLQ или VLQ становятся неэффективными для СБРЛ ММДВ при удалении от защищаемой позиции на 500 и более метров.
Следует подчеркнуть, что создание мощных генераторов с уровнем мощности в импульсе порядка 1 МВт в ММДВ вообще является проблематичным, а на длине волны л = 5 мм требуемая мощность помехи в зоне постановки указанных станций приблизительно на два порядка выше, чем в 8-ми миллиметровом диапазоне длин волн.
Это наглядно показывают исключительно высокую помехоустойчивость СБРЛ ММДВ в диапазоне л=5 мм. Организация активного противодействия в ММДВ чрезвычайно затруднена. В диапазоне частот 30…60 ГГц станции заградительных радиопомех становятся неэффективными при удалении на 500 и более метров. Воздействие естественных метеообразований повышает скрытность и помехоустойчивость СБРЛ ММДВ до 12…16 дБ/км по сравнению с чистой атмосферой.
Другие методы повышения помехоустойчивости СБРЛ ММДВ аналогичны методам, используемым в других частотных диапазонах [2]. В ММДВ также необходимо делать выбор из различных вариантов функционального построения СБРЛ, зондирующим сигналом и методом его обработки. Эти факторы, а также рациональный выбор диаграмм направленности (ДН) антенн, оказывают влияние на отношение сигнал/шум в приемнике и на точность в определении области принятия решений СБРЛ.
2. Технологические аспекты создания перспективной СБРЛ
Учитывая очевидное отставание уровня отечественных разработок в технологической области создания миниатюрных узлов и компонентов СБРЛ вообще и в диапазоне миллиметровых волн (ММДВ) в частности, целесообразно проводить анализ состояния элементной базы диапазона 53…60 ГГц для создания перспективной СБРЛ на примере доступных зарубежных разработок.
Традиционно, на протяжении боле 30 лет узлы и компоненты устройств миллиметрового диапазона реализовывались в виде волноводных конструкций. Переход к миллиметровым волнам от дециметровых и сантиметровых позволяет существенно уменьшить габариты систем в волноводном исполнении. Однако с появлением микрополосковых технологий преимущества миллиметрового диапазона в габаритах средств доставки стало достаточно условным. Более того, применение волноводных устройств в артиллерийских системах зачастую ограничено из-за значительных перегрузок при полете. Безусловно, существуют технические решения позволяющие обеспечить прочность крепления активных элементов, но размеры волноводных устройств по-прежнему остаются большими и не позволяют реализовать малогабаритные устройства со сложными сигналами и соответствующей обработкой.
Можно сказать, что настоящей революцией в области техники и технологии ММДВ стало появление современных полупроводниковых и диэлектрических материалов, позволяющих строить микромодули, встраиваемые в микрополосковые конструкции.
Ведущие страны мира в последнее время все больше стремятся к миниатюризации электронных устройств, в том числе и миллиметрового диапазона. При этом наблюдается концентрация производства механической части и электронной в рамках одной фирмы. Так, например, американская аэрокосмическая корпорация Nortrop Grumman в результате приобретения компании TRW стала ведущим производителем интегральных схем миллиметрового диапазона, в том числе диапазона 53…60 ГГц. В номенклатуре изделий подразделения Velocium фирмы Nortrop Grumman имеются: усилители мощности, смесители, умножители частоты, внешний вид которого приведен на рис. 2, малошумящие усилители (МШУ).
Рис. 2 Монолитный умножитель частоты на 4. Размеры 1,8х0,8 мм
Рис. 3 Функциональная схема узла ППМ микромодульного исполнения
В качестве примера, рассмотрим некоторые характеристики этих устройств и возможные схемы их использования в СБРЛ.
В номенклатуре изделий имеются практически все ключевые модули для построения приемо-передающей части СБРЛ, пример которой приведен на рис. 3. На этом рисунке видно, что опорный сигнал ППМ формируется в области частот 14…16 ГГц, что на сегодняшний день не является технической проблемой и также реализуется в микрополосках. В этом диапазоне частот имеется возможность построения генераторов с фазокодовой манипуляцией (ФКМ), линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) с большой девиацией частоты, шумовых и комбинированных. Заметим, что формирование сложного сигнала на сегодняшний день является одним из наиболее эффективных способов распознавания малозаметных целей на фоне подстилающих поверхностей.
В Европе лидирующие позиции в разработке и производстве интегральных схем миллиметрового диапазона занимает концерн United Monolithic Semiconductors (UMS). Этот концерн занимает лидирующие позиции по производству микроэлектронных изделий миллиметрового диапазона вплоть до частот 110 ГГц. Основными потребителями продукции являются фирмы, работающие в области вооружений, космических исследований телекоммуникаций. Наибольший интерес сточки зрения проектирования и создания СБРЛ является тесное сотрудничество UMS c THALES и EADS, мировыми лидерами по разработке электроники для СБРЛ. В кооперации с компанией Ansoft разработан пакет моделирования устройств диапазона до 60 ГГц - Ansoft Designer /Nexxim.