Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 10. -

Вып. 2. - 2011. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-30-html/TITL-30.htm

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-30-html/cont.htm

УДК 621.396.61(075)

АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ В АНТЕННАХ С ЧАСТОТНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ

Ó 2011 г. Суханов В. В.

(suhanov.doc)

В настоящее время существует ряд недостатков в системах стабилизации антенн радиолокационных станций обнаружения, которые ограничивают их функциональное применение. В статье рассмотрен вопрос применения пассивных частотных антенных решёток для электронной стабилизации их диаграмм направленности в плоскости горизонта. Предложена структурная схема, реализующая возможности пассивных частотных антенных решёток с электронной стабилизацией диаграммы направленности.

Ключевые слова: частотная антенная решётка, система стабилизации, диаграмма направленности.

В РЛС, решающих задачу обнаружения в движении, для удержания в пространстве вертикальной оси вращения антенны станции обнаружения цели (СОЦ) перпендикулярно плоскости горизонта, и как следствие, максимума диаграммы направленности антенны (ДНА), предназначена система стабилизации. Обычно, в её состав входят сложные электромеханические (гидроэлектромеханические) исполнительные устройства, которые и решают задачу стабилизации смещением всей антенной колонки, или облучателя антенны из фокуса перпендикулярно оптической оси или подключением подводимой СВЧ энергии к определённому облучателю в системе облучателей. При этом происходит наклон фронта волны, и лепесток отклоняется в сторону отставания фазы поля на раскрыве антенны. Хотя такие способы стабилизации широко применяются, их возможности ограничены относительно небольшой угловой скоростью перемещения лепестка ДНА из-за механической инерционности подвижных частей антенно-волноводной системы. Инерционность работы таких исполнительных устройств ограничивает максимальные скорость и ускорения движения самохода, на котором размещена РЛС. Кроме того, сложность и незащищённость этих устройств от поражающих факторов ряда боеприпасов делает их не достаточно надёжными. Необходимо отметить, что использование электрогидромеханического (электромеханического) управления для системы стабилизации связано с рядом факторов ухудшающих тактико-технические характеристики таких РЛС. 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.), ориентирования в пространстве. Кроме того, имеется ряд ограничений, например, таких как скорость и ускорение изменения углов наклона плоскости самохода, относительно плоскости горизонта при движении.

С появлением возможности ориентирования станции при помощи спутникового навигационного оборудования возникает возможность ускорить процесс подготовки РЛС к работе. Для этого нужно использовать нереализованные возможности оборудования станции. На несколько порядков большую скорость стабилизации можно получить используя возможности антенн с электрическим сканированием. У таких антенн нет подвижных частей, а изменение фазового распределения на раскрыве антенны осуществляется электрически: путём изменения угловых параметров гармонической составляющей зондирующего сигнала. Опыт показал, что электрическое сканирование удобно осуществлять с помощью многоэлементных антенн (решёток). Широкое применение получили антенные решётки, в которых электрическое сканирование в угломестной плоскости осуществляется за счёт изменения мгновенной частоты зондирующего сигнала, то есть является одномерным (положение главного лепестка изменяется только по одной угловой координате). Например, в ЛЧМ-сигналах – за счёт внутриимпульсной девиации частоты. Для стабилизации ДНА, при решении задачи обнаружения, оказывается удобным использование пассивных АР с частотным сканированием.

Для этого вспомним принцип частотного сканирования. При частотном сканировании угловое положение e1 оси диаграммы направленности есть функция несущей частоты f1 зондирующего сигнала передатчика. Скорость сканирования ДНА пропорциональна скорости изменения частоты передатчика, то есть внутриимпульсной девиации частоты.

На рисунке 1 приводятся геометрические соотношения для частотного сканирования АР состоящей из двух излучателей.

Рисунок 1 − Геометрические соотношения поясняющие принцип частотного сканирования

На рисунке 1 даны следующие обозначения:

1 – вход высокочастотной энергии;

2, 3 – излучатели СВЧ энергии;

4 – оконечная поглощающая нагрузка;

d – расстояние между излучателями в решётке;

S – расстояние в волноводном тракте, соединяющем излучатели;

ξ – угол наклона главного лепестка ДНА АР относительно нормали в угломестной плоскости;

АА – волновой фронт;

N – нормаль к прямой, на которой расположены излучатели;

N1 – нормаль к волновому фронту (ось главного лепестка ДНА).

Антенная решётка является эквидистантной. Расстояние между излучателями определяется возможностью сканирования в заданных пределах. 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).

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

Пусть l₀ – длина волны в свободном пространстве;

l_в – длина волны в волноводном тракте, соединяющем излучатели;

n – целое положительное число.

Тогда из рисунка 1 следует:

(1)

Из выражения (1) находим

(2)

Из выражения (2) видно, что x = x(l₀), 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, с одной стороны, нужно использовать антенны с большим замедлением, когда отношение велико. С другой стороны, с увеличением замедления падает КПД антенны за счёт потерь в волноводной линии. Это ограничивает длину решётки, а следовательно, и минимально допустимую ширину диаграммы направленности. Таким образом, нужно выполнить противоречивые требования: добиться большого коэффициента замедления антенной системы и высокой разрешающей способности по изменяемой координате и высокого КПД антенны.

Определение сектора сканирования ДН СОЦ

при изменении несущей частоты зондирующего сигнала

Сектором сканирования называют часть области действительных углов, в пределах которой сканирует главный лепесток. Как правило, штатные системы стабилизации обеспечивают удержание оси вращения антенны вертикально к плоскости горизонта в движении, при наклонах корпуса самохода вокруг продольной и поперечной осей в диапазоне ±10°. Для реализации электронной стабилизации ДНА пассивной АР с частотным сканированием необходимо обосновать возможность электронного сканирования путём определения набега фазы, которая, как правило, должна входить в диапазон ±10° при изменении несущей частоты зондирующего сигнала.

Выражение, определяющее частотный способ сканирования и определяющее положение главного и боковых лепестков диаграммы направленности имеет вид

(3)

где m – порядок волны, указывающий на номер луча.

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

Кроме того, необходимо определить набег фаз в волноводе между двумя соседними излучателями при изменении угла наклона ДНА в угломестной плоскости:

, (4)

где – фазовая постоянная;

ψ – набег фаз.

Тогда подставив выражение, определяющее фазовую постоянную, в выражение (4) получим

(5)

Из выражения (5) выразим значение набега фаз в волноводе между двумя соседними излучателями:

(6)

Выразим набег фаз ψ через геометрические размеры антенной решётки:

. (7)

Подставим выражение (7) в (6) и получим

Так как S=nλ_в, то получим

Отсюда следует, что

где

, (8)

a – размер широкой стенки волновода.

Выражение (8) определяет зависимость между критической длиной волны в волноводе и длиной волны в свободном пространстве.

Благодаря этим данным можно найти достижимый набег фаз ψ_д из выражения (7). Под достижимым набегом фаз понимается разница между фазами гармонического колебания при прохождении электромагнитной волной в волноводе расстояния S. Зная достижимый набег фаз можно определить сектор сканирования максимума ДНА.

Вариант схемы реализующей электронную стабилизацию

диаграммы направленности антенны СОЦ

При модернизации существующих гидроэлектромеханических систем стабилизации возможно изменив (дополнив) тракт формирования зондирующего сигнала добиться решения тех же задач, что и при стабилизации механическим способом.

В автогенераторах, работающих на частотах не выше нескольких десятков мегагерц, часто используют метод изменения частоты, основанный на непосредственном управлении резонансной частотой колебательной цепи автогенератора путём электронного управления ёмкостью или индуктивностью контура. В этом случае говорят о частотной модуляции прямого действия.

Широко распространённым способом электронного управления резонансной частотой контура является подключение к контуру варикапа – полупроводникового диода, ёмкость которого зависит от приложенного к нему напряжения, или специальной электронной схемы, представляющей собой эквивалентную ёмкость или индуктивность (“реактивный каскад”).

Рассмотрим случай управления частотой с помощью изменяемой ёмкости колебательного контура автогенератора. Тогда при заданных значениях средней (несущей) частоты f₀ и частотного отклонения Δf требуемое изменение ёмкости ΔC нетрудно найти с помощью очевидных соотношений.

Используя формулу Томпсона:

,

где L_к – индуктивность колебательного контура автогенератора;

C_к – ёмкость колебательного контура автогенератора,

определим величину изменения частоты:

.

Видно, что при этом имеет место нелинейная зависимость отклонения частоты от изменения ёмкости. Однако, как правило, относительное изменение частоты весьма невелико, т.е. ΔC « C_к. Тогда можно записать для относительного изменения частоты следующее приближенное линейное соотношение:

.

Таким образом, при малых относительных изменениях Δf и ΔC можно получить линейную частотную модуляцию, если ёмкость менять по закону низкочастотного 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 (Navstar) или Глонасс. Эти данные должны поступать к автогенератору с частотной модуляцией. Сигнал с выхода этого генератора будет служить частотной добавкой для изменения мгновенного значения частоты сигнала, а значит и углового положения ДНА. 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.

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

Рисунок 2 – Структурная схема устройства электронной стабилизации диаграммы направленности антенны обзорной РЛС

Предлагаемая схема содержит автогенератор с частотной модуляцией и смеситель. На автогенератор с частотной модуляцией из навигационной системы должны поступать сигналы управления, вырабатываемые в преобразователе координат. Автогенератор с частотной модуляцией вырабатывает напряжение гармонической формы, частота которого пропорциональна величине сигналов Dm и Dn (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, применение пассивных частотных АР в обзорных РЛС позволяет решить задачу электронной стабилизации ДНА в плоскости горизонта.

литературы

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.

ANALYSIS OF ELECTRONIC STABILIZATIONS TO DIAGRAMS DIRECTIVITIES ANTENNA WITH FREQUENCY 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.

Key words: frequency antenna lattice, system to stabilizations, diagrams to directivities.

Военная академия войсковой ПВО Вооруженных Сил Российской Федерации

 имени Маршала Советского Союза А.М. Василевского

(ВА ВПВО ВС РФ)

Поступила в редакцию 20.03.2011.