Рис. 2.25

Различие в методах извлечения угловой информации порождает определенные различия в обработке принимаемых сигналов и, следовательно, в обработке моноимпульсных сигналов в целом. Структурная схема моноимпульсной радиолокационной системы представлена на рис. 2.26. Угловой датчик (антенна) формирует сигналы, в соотношениях параметров которых со-

сигналов с углом прихода волны. На выходе дискриминатора формируется пеленгационная характеристика, указывающая на величину и знак угла прихода принятого сигнала.

При простейших способах обработки применяют вычитающие устройства для сравнения амплитуд и фазовые детекторы для сравнения фаз сигналов. Однако наибольшей эффективностью обладают моноимпульсные РЛС с суммарно-разностным методом пеленгации. В этом случае угловой датчик (собственно антенна) и преобразователь составляют единое целое – моноимпульсную антенну, которая формирует три диаграммы направленности – суммарную (однолепестковую ) и две разностные (двухлепестковые , ), разнесенные соответственно в азимутальной и угломестной плоскостях.

Рассмотрим подробнее амплитудную суммарно-разностную схему. Диаграммы направленности парциальных каналов, а также суммарная и разностная ДН для такой схемы показаны на рис. 2.27, а и 2.27, б соответственно. Форма разностной ДН совпадает с желаемой формой пеленгационной ха-

Рис. 2.27

рактеристики (характеристики углового дискриминатора). Суммарный сигнал используется в качестве опорного (для исключения из разностного зависимости от амплитуды принятого сигнала), а также для обнаружения цели, измерения дальности до нее и ее скорости.

На рис. 2.28, а изображена одна из возможных схем образования суммарной и разностной ДН, содержащая 4-элементный (А, B, С, D) облучатель 1 и четыре многополюсника 2, составляющие преобразователь. Суммарный (FS) и разностные (FD) сигналы используются для определения направления на цель. Четвертый сигнал оказывается ненужным и гасится в поглощающей нагрузке. При формировании FS все четыре элемента облучателя должны возбуждаться синфазно (рис. 2.28, б). Разностные диаграммы в азимутальной и угломестной плоскостях формируются при противофазном возбуждении левых и правых (рис. 2.28, в) или верхних и нижних (рис. 2.28, г) элементов соответственно.

Рис. 2.28

Важным параметром антенны моноимпульсной РЛС с амплитудным способом пеленгации является угол смещения максимума парциальных ДН q0 (см. рис. 2.27). Величина q0 существенно влияет на коэффициент усиле-ния суммарного канала и крутизну разностной диаграммы в точке q=0, которые определяют дальность действия и точность пеленгации моноимпульсной РЛС. Оптимальным углом смещения принято считать угол, соответствующий максимуму произведения величины суммарного сигнала на крутизну разностной диаграммы (tga), примерно равный полуширине парциальных ДН.

Приведенный на рис. 2.28 простой 4-рупорный облучатель обладает существенным недостатком. При формировании разностной ДН, создаваемой отдельными рупорами, диаграмма облучателя является широкой; в результате разностные ДН антенны имеют низкое усиление и высокие боковые лепестки. Этого недостатка можно избежать при использовании 8-элементного облучателя (рис. 2.29, а). При работе по суммарному каналу применяются только его центральные элементы А, B, С, D (рис. 2.29, б), а боковые рупоры А', B', С', D' - только при работе по разностному каналу (рис. 2.29, в, г).

Рис. 2.29

Для получения суммарно-разностных ДН также используются волноводно-рупорные облучатели, в которых существует несколько типов волн - многоволновые облучатели. Простейший облучатель такого типа представляет собой свернутый в магнитной плоскости двойной волноводный тройник.

Моноимпульсный метод может быть реализован и при использовании ФАР. В ФАР с оптическим питанием моноимпульсная схема с амплитудной пеленгацией реализуется с помощью многорупорных или многоволновых облучателей. В ФАР с фидерным питанием для формирования парциальных ДН можно использовать диаграммообразующие схемы.

2.4.3.  Адаптивные антенны

2.4.3.1. Самофокусирующиеся антенны

Антенны данного типа представляют собой антенные решетки, в которых методами автоматического регулирования обеспечивается синфазное сложение сигналов, принятых отдельными элементами решетки. Это имеет место при произвольной форме фазового фронта падающей на антенну волны и любых фазовых ошибках, возникающих в самой антенне. В качестве элементов самофокусирующейся антенной решетки (СФАР) могут использоваться как слабонаправленные излучатели, так и антенны с большими раскрывами, например зеркальные или линзовые. Блок-схема двухэлементной приемной самофокусирующейся решетки представлена на рис. 2.30.

Принятые элементами антенны сигналы сравниваются в фазовом де-

образуют фазонастраивающий контур (ФНК), позволяющий осуществить отработку разности фаз сигналов, принятых отдельными элементами антенны. В установившемся режиме максимум главного лепестка ДН такой антенны будет ориентирован на источник излучения.

Варианты схем СФАР различаются по типу исполнительного элемента и способу формирования опорного сигнала. В качестве исполнительных элементов также применяются управляемые линии задержки (УЛЗ) и генераторы, управляемые напряжением (ГУН). В качестве опорного можно использовать сигнал, принятый одним из элементов (рис. 2.30), сигнал с выхода сумматора или сигнал от специального генератора общего для всех каналов. Использование самофокусировки устраняет ограничивающее действие случайных факторов различного происхождения на параметры антенн. Это дает возможность резко ослабить допуски на изготовление и стабильность работы элементов антенно-фидерного тракта, что позволяет существенно сократить материальные затраты по изготовлению антенны.

Элементы СФАР можно располагать на поверхности любой формы и на произвольных расстояниях друг от друга. Это особенно важно для антенн, устанавливаемых на борту летательных аппаратов.

2.4.3.2. Ретродирективные антенны

Ретродирективные антенны представляют собой приемопередающие решетки, переизлучающие принятый ими сигнал в обратном направлении. Необходимая для этого фазировка излучателей осуществляется автоматически.

Принцип работы ретродирективной системы состоит в следующем. Если на линейную решетку падает плоская волна с направления, характеризуемого углом q0, то фаза сигнала, принятого i-м излучателем, будет . Для того чтобы излучить сигнал в направлении q0, необходимо создать сопряженное фазовое распределение .

Простой способ осуществления операции сопряжения фазы был пред-

ются у источника когерентно. Это имеет место при любой форме фазового фронта падающей волны независимо от расстояния до источника. Возможны также другие схемы ретродирективных антенн.

Включение усилителей, модуляторов, фазовращателей и прочих элементов в устройство сопряжения фазы (фидерный тракт в решетке Ван-Атта) существенно расширяет возможности ретродирективных систем. В частности, это позволяет модулировать переизлучаемый сигнал по заданному закону, управлять направлением и частотой переизлученной волны и т. д.

Ретродирективные антенны весьма перспективны при использовании их в качестве пассивных отражателей, в линиях связи со спутниками и космическими объектами, системах радиопротиводействия, а также в ряде других областей.

2.4.3.3. Экстремальные адаптивные антенны

Для современных РЛС, функционирующих в сложных условиях сигнально-помеховой обстановки, насущным становится применение в приемных РЭС экстремальных адаптивных антенн (ЭАА). Антенны такого типа (обычно на базе ФАР) осуществляют пространственно-временную обработку приходящих сигналов с целью значительного улучшения отношения сигнал/(шум+помеха) (ОСШП) на входе приёмного устройства, разрешения нескольких целей по угловым координатам и др. Обработка заключается в изменении АФР поля на раскрыве решётки посредством управления коэффициентами передачи в отдельных каналах ЭАА.

Экстремальная адаптивная антенна включает в себя антенную решётку, диаграммообразующую схему (ДОС) с управляемыми коэффициентами передачи в каналах отдельных элементов решётки и устройство управления –

Таким образом, АФР на раскрыве решетки создается в соответствии с критерием оптимальности адаптации (или критерием адаптации). При этом должен быть обеспечен экстремум (максимум или минимум) соответствующего критерия адаптации. Наиболее часто используются следующие критерии оптимальности: минимум среднеквадратической ошибки, максимум отношения правдоподобия, максимум ОСШП и другие. Как правило, ЭАА используются для борьбы с помехами. При этом в процессе адаптации путем управления коэффициентами передачи каналов формируется такое АФР на раскрыве решётки, чтобы максимум ДН был ориентирован на источник полезного сигнала, а минимумы ("нули") – на источники помех.

Классификация экстремальных адаптивных антенн может быть проведена по различным признакам. По соотношению числа каналов адаптации и общего числа излучателей АР выделяют полностью адаптивные и частично адаптивные ЭАА. В последних обработка сигналов производится в ограниченном числе антенных элементов. К частично адаптивным относятся антенные решетки, построенные по принципу модульной обработки сигналов (сигналов субрешеток), а также адаптивные компенсаторы (АК).

По принципам обработки сигналов ЭАА подразделяются на АР фильтрации сигналов и адаптивные компенсаторы. В АР адаптивной пространственной фильтрации сигналов одновременно осуществляется оценка приходящих сигналов. При этом вся антенна рассматривается как единый пространственный фильтр. Адаптивные антенны фильтрации во всех приёмных каналах выполняют весовую обработку сигналов, которая заключается в суммировании сигналов, получаемых с выходов различных элементов (каналов) с учётом весовых коэффициентов. Весовые коэффициенты в адаптивных решётках фильтрации сигналов подбираются автоматически таким образом, чтобы напряжения полезного сигнала складывались в сумматоре приблизительно в фазе, а напряжения помехи компенсировались. В адаптивных компенсаторах принципиальным является наличие основного и дополнительного (компенсационного) каналов, причём взвешивание сигналов осуществляется только в дополнительном.

В зависимости от количества формируемых лучей адаптивные антенны подразделяются на одно - и многолучевые. В однолучевых антеннах взвешиванию подвергаются сигналы, снимаемые с выходов элементов АР. В многолучевой антенне взвешиваются сигналы, снимаемые с выходов каналов, соответствующих отдельным лучам. Информация о направлении прихода сигналов здесь содержится в различиях амплитуд сигналов разных источников на выходах каналов.

Процесс адаптации невозможен без необходимых априорных данных, на основании которых формируется так называемый опорный сигнал. В зависимости от типа опорного сигнала выделяют самонастраивающиеся и самогенерирующиеся ЭАА. В первом случае опорный сигнал известен заранее и подается на процессор. При использовании самонастраивающихся антенн задача состоит в том, чтобы по внутреннему опорному сигналу настроиться на приходящий сигнал, также содержащий опорный. В самогенерирующихся ЭАА опорный сигнал формируется по некоторым косвенным априорным данным только в адаптивной антенне и поступает в процессор. В этом случае для формирования опорного сигнала может быть использована дополнительная антенна.

В экстремальных адаптивных антеннах производится обработка принимаемых сигналов, которые характеризуются определённым направлением прихода, видом поляризации и временными параметрами. В соответствии с этим различают ЭАА, предназначенные для пространственной, поляризационной, пространственно-временной обработки и их возможных комбинаций.

Приведенные сведения об экстремальных адаптивных антеннах не содержат информации об особенностях технической реализации таких систем и носят общий характер. Детальное определение структуры и характеристик как процессора, так и всей адаптивной решетки в целом, обычно осуществляется на основе статистической теории оптимального управления.

3.  ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
АНТЕНН РЭС ПВО

3.1.  Влияние повреждений и отказов элементов
антенных систем на их радиотехнические
характеристики и параметры

Инженер-эксплуатационник должен владеть методами аналитической оценки последствий неисправностей антенно-фидерных трактов систем РЭТ, так как в процессе их эксплуатации возможны механические повреждения отдельных конструктивных узлов антенны и изменение электрических свойств материалов, из которых они изготовлены, а также отказы элементов радиоэлектронной техники (фазовращателей, усилителей и т. п.), используемых в антенно-волноводных трактах.

Рассмотрим влияние повреждений и отказов на характеристики и параметры зеркальных антенн и ФАР, наиболее широко применяющихся в современных РЛС.

3.1.1.  Влияние повреждений на радиотехнические
характеристики и параметры зеркальных антенн

Основными видами повреждений зеркальных антенн являются:

локальные повреждения поверхности зеркала (вмятины, сквозные отверстия);

перекосы поверхности зеркала; смещения облучателя и его механические повреждения.

3.1.1.1. Влияние повреждений зеркала на ДН

При любых повреждениях зеркала происходит изменение АФР поля на его раскрыве, что приводит к соответствующим искажениям ДН антенны. Для приближенной оценки амплитудно-фазового распределения в раскрыве поврежденного зеркала в инженерной практике наиболее широко используются методы геометрической оптики. При этом по профилю поврежденного участка и с учетом его размеров строится ход прямого и отраженного лучей. Затем находят амплитудное и фазовое распределения поля в раскрыве, устанавливается их связь с геометрическими параметрами повреждений. По амплитудному и фазовому распределениям с учетом общих методов определения поля системы излучателей рассчитывается ДН антенны и вычисляются радиотехнические параметры антенны.

Оценим влияние круглой одиночной вмятины высотой h и диаметром 2d на характеристики параболоида вращения. Допучтим, что центр вмятины совпадает с вершиной параболоида (рис. 3.1).

Рис. 3.1

Построив прямые и отраженные лучи (точечный облучатель находится в фокусе зеркала), устанавливаем, что на апертуре можно выделить три характерные зоны. В периферийной зоне 1, представляющей собой кольцо с внешним радиусом и внутренним , поле поврежденной антенны совпадает с полем неповрежденной: амплитуда монотонно спадает к краям зеркала, а фаза вследствие фокусирующего действия параболоида является постоянной. В центральной зоне 2 (круг с радиусом d) поле определяется формой профиля поврежденного участка. В промежуточной зоне 3, представляющей собой кольцо с внешним радиусом и внутренним d, поле образуется суперпозицией волн, отраженных от поврежденного и неповрежденного участков.

АДН такой антенны сохраняет осевую симметрию, максимум главного лепестка ориентирован вдоль фокальной оси. Амплитудное распределение поля вследствие рассеивающего действия поврежденного участка зеркала оказывается более равномерным, что, в принципе, должно было бы привести к сужению главного лепестка и некоторому возрастанию уровня боковых. Однако вследствие неравномерности фазового распределения появляются фазовые ошибки четного порядка (второго, четвертого и т. д.), что приводит к расширению главного и увеличению уровня боковых лепестков АДН.

При наличии повреждения общий уровень амплитудного распределения поля в раскрыве антенны несколько снижается. Это должно было бы привести к уменьшению мощности излучения антенны. Однако это не так, поскольку угол раскрыва зеркала не меняется, а следовательно, остается прежней общая величина перехваченной и переизлученной зеркалом мощности облучателя. Снижение же уровня амплитудного распределения означает уменьшение мощности, излучаемой антенной на главной поляризации, и возрастание на ту же величину мощности кроссполяризационной составляющей. Действительно, в области повреждения зеркала происходит искривление линий поверхностного тока по сравнению с линиями тока на неповрежденной антенне. В результате большие по величине горизонтальные компоненты тока в поврежденной области приводят к возрастанию кроссполяризационного излучения.

Таким образом, повреждение центрального участка параболического зеркала вызывает увеличение уровня боковых лепестков АДН при некотором расширении главного лепестка. Симметрия АДН не нарушается. Возрастает уровень кроссполяризационной составляющей.

Если вмятина не совпадает с вершиной зеркала(рис. 3.2, а), то область интерференции 3 оказывается несимметричной. В результате нарушается сим-

Рис. 3.2

метрия АФР поля в раскрыве зеркала, и помимо расширения главного и увеличения уровня боковых лепестков наблюдается смещение максимума АДН в сторону преимущественного отставания фазы (в сторону вмятины, если она представляет собой углубление в профиле, или в сторону, противоположную вмятине, если она своей выпуклостью обращена к раскрыву). Кроме того, увеличивается излучение на кроссполяризации как в осевом, так и во внеосевом направлении.

Определим допустимые размеры вмятин в зеркале. Из рис. 3.2 видно, что путь луча, отраженного от вмятины, изменится на величину . Это приращение пути вызовет фазовую ошибку на раскрыве:

. (3.1)

Вмятина может иметь направление, указанное на рис. 3.2, а может быть направлена в противоположную сторону. Поскольку вмятину можно считать явлением случайным и статистически независимым, то разность фаз необходимо увеличить в два раза, т. е.

. (3.2)

Как указывалось ранее, допустимая фазовая ошибка не должна быть больше p/4. Тогда допустимую величину вмятины можно найти из неравенства:

. (3.3)

Отсюда получаем:

. (3.4)

В центральной части зеркала (q=0) допустимый размер вмятины минимален и равен

. (3.5)

Расчеты показывают, что одиночные вмятины с размерами и снижают КНД антенны не более чем на 20%. При повреждении в виде множества мелких вмятин (), расположенных на поверхности зеркала случайным образом, возникают случайные изменения амплитудно-фазового распределения и АДН. Оценка их влияния на характеристики и параметры антенны производится статистическими методами.

Аналогичным образом оценивается влияние мелких () сквозных отверстий в зеркале. При этом дополнительно к рассмотренным выше искажениям АДН увеличивается излучение в заднюю полусферу.

При увеличении размеров отверстий () вся падающая на них мощность излучается в заднюю полусферу. По влиянию на АДН в области главного и первых боковых лепестков большие отверстия приближенно можно рассматривать как глубокие () вмятины такого же диаметра.

Для временного восстановления поврежденной антенны на позиции РЛС применяют специальные накладки из мелкоячеистой сетки, которым в области повреждений придается форма зеркала. Накладки наклеиваются на поврежденные участки.

3.1.1.2. Влияние повреждений облучателя
на АДН зеркальной антенны

В процессе эксплуатации антенны возможны смещения облучателя из фокуса зеркала и его механические повреждения. Любое изменение положения облучателя можно представить в виде комбинации смещения вдоль фокальной оси, смещения в плоскости, перпендикулярной фокальной оси (рис. 3.3, а), и разворота в плоскости раскрыва на некоторый угол крена g (рис. 3.3, б).

При смещении облучателя вдоль фокальной оси в фазовом распределе-

Рис. 3.3

ние поля на раскрыве зеркала появляются четные фазовые ошибки. Вследствие этого происходит расширение главного лепестка и увеличение уровня боковых лепестков. При четно-симметричном фазовом распределении антенна не имеет фазового центра. Кроме того, при уменьшении расстояния от вершины зеркала до облучателя увеличивается кривизна линий тока на зеркале, что приводит к возрастанию кроссполяризационной составляющей.

Максимальную фазовую ошибку на краях зеркала определим, воспользовавшись изображением на рис. 3.3, а. Очевидно, что разность в длине пути лучей Dr максимальна между лучами, падающими на вершину зеркала:

.

Соответствующая фазовая ошибка

.

Искажения АДН считаются незначительными, если . Тогда

. (3.6)

Из выражения (3.6) следует, что с увеличением угла раскрыва зеркала допустимое смещение облучателя уменьшается, т. е. к смещению облучателя наиболее критичны короткофокусные антенны.

При смещении облучателя в плоскости, нормальной к фокальной оси, возникают ошибки нечетного порядка. Нечетные фазовые ошибки приводят к смещению максимума АДН относительно фокальной оси в направлении, противоположном смещению облучателя, нарушению симметрии АДН, увеличению уровня боковых лепестков. Считая максимальную ошибку равной , на основании вышеприведенных рассуждений можно определить допустимое смещение :

. (3.7)

Как видно, с увеличением фокусного расстояния и уменьшением радиуса зеркала требования к допустимому смещению облучателя снижаются.

Его разворот приводит к нарушению симметрии амплитудного распределения поля на раскрыве. Вследствие этого АДН становится несимметричной, уменьшается КИП антенны, увеличивается излучение на кроссполяризации.

3.1.2.  Влияние повреждений и отказов элементов ФАР
на характеристики и параметры антенны

Как известно, ФАР включает в себя совокупность модулей, образующих собственно антенну, и управляющую ЦЭВМ. Анализ влияния отказов управляющей ЦЭВМ на характеристики и параметры ФАР является специфической и весьма сложной задачей, решение которой требует конкретизации архитектуры ЦЭВМ, алгоритмов управления и ряда других сведений, не относящихся к теории и технике антенн. Следует также иметь в виду, что система управления обычно характеризуется более высокими показателями надежности, чем собственно антенна (совокупность модулей). Поэтому далее рассматривается влияние отказов лишь в модулях ФАР.

При эксплуатации ФАР возможны механические повреждения элементов и узлов, образующих модули ФАР (перекосы арматуры, нарушение целостности радиопрозрачных защитных обтекателей, повреждения приемоизлучающих элементов, аналогичные рассмотренным ранее повреждениям облучателей зеркальных антенн, и т. п.), а также отказы в электрических и электронных элементах модулей. Все отказы и повреждения в модулях приводят к изменению амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве ФАР. При этом влияние механических повреждений на характеристики и параметры ФАР в принципе может быть учтено тем же способом, что и при анализе зеркальных антенн. В частности, все выводы, сделанные в предыдущем подразделе, применимы к ФАР с пространственным питанием отражательного типа, прототипом которых являются зеркальные антенны.

Учитывая это, в дальнейшем ограничимся рассмотрением отказов в электрических и электронных узлах модулей ФАР (в фазовращателях и усилителях ФАР с активным питанием).

3.1.2.1. Отказы фазовращателей

В настоящее время в ФАР широко применяются ферритовые и полупроводниковые фазовращатели. Основными видами отказов фазовращателей являются обрывы и короткие замыкания в цепях управления и питания. Во всех случаях фазовращатель становится неуправляемым, фаза поля будет устанавливаться с некоторой ошибкой D. Под ошибкой понимается разность фаз:

,

где jу – фаза, установленная на излучающем элементе; jп – фаза, которая должна быть выставлена по программе спецвычислителя. Возможное количество исходов отказов определяется структурой фазовращателя. Например, в дискретном ферритовом фазовращателе (рис. 3.4) только за счет обрывов управляющих обмоток может быть семь исходов отказов:

обрыв только в одной из обмоток секции при всех остальных исправных – три исхода отказа;

обрыв одновременно в двух секциях при одной исправной – три исхода отказа;

ределенная условная вероятность его появления в заданном интервале времени 0....t и определенные ошибки в установлении фазы. Например, для 1-го состояния фазовращателя, при котором имеется обрыв одной обмотки 1-й секции при исправных остальных секциях, фазовые ошибки будут иметь значения, указанные в таблице.

Таблица

Изменения амплитуды при отказах фазовращателей незначительны, и их влиянием по сравнению с влиянием фазовых ошибок можно пренебречь.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6