Стахов Е. А. Казанський державний технічний університет ім. А. Н. Туполева 4200111, Росія, Казань, К. Маркса, 10 факс: (8432) 36-60-32, тел. :44-95-37; e-mail: root@kaiadm.kazan.ru


Анотація Розглянуто інтерферометрична решітка каналу запиту апаратури УВС, в якій для усунення неоднозначності у відліку кутової координати використані методи: комутації бази; кодованого сигналу запиту, що усуває вплив побічних пелюсток на відлік кута; мультиплікативного приймального каналу. Це дозволило отримати однозначне кутове дозвіл апаратури УВС, порівнянне з кутовим дозволом ФАР БРЛС. Можливість розміщення електрично скануючої малоелементні інтерферометричної решітки апаратури УВС поза розкриву ФАР БРЛС суттєво зменшило взаємовплив між ними.

I. Вступ

Автоматичне супровід цілі в режимі огляду (АСЦРО) є одним з основних режимів функціонування сучасних і перспективних бортових радіолокаційних станцій (БРЛС) цивільної, транспортної і бойової авіації, а також літаків радіолокаційного дозору. У комплексах управління повітряним рухом (УВС) режим АСЦРО використовується для контролю та управління рухом повітряних суден (НД) в районах аеродромів та ін Цей режим дозволяє безперервно отримувати інформацію про всі цілях в зоні огляду (відповідальності) і виявляти найбільш небезпечні (важливі) цілі.

Залежно від способу організації перегляду зони огляду повітряного простору, розрізняють два варіанти АСЦРО: супровід на проході (СНП) і програмований (активне) супровід. СНП використовується в БРЛС з механічним скануванням променя антени, де етапи АСЦРО виконуються в процесі послідовного перегляду всієї зони огляду. Програмоване (активне) супровід реалізується в БРЛС з ФАР, коли спочатку проводиться звичайний порядковий чи інший огляд простору, а далі виявлені цілі беруться на супровід.

II. Теорія

Вважаючи, що вхідні шуми рівномірно розподілені по тимчасової і просторової частотам [1], властивості БРЛС можна описати багатовимірної просторово-часової функцією кореляції.

Просторово-часова еквівалентність кореляційних функцій дозволяє оцінити точність та роздільну здатність даних, одержуваних від кожної з бортових систем і пред’явити технічні вимоги, в тому числі і до антенним системам апаратури. Для того щоб мінімізувати можливість виникнення помилок при ототожненні траєкторій відміток, одержуваних від апаратури УВС і БРЛС необхідно, щоб їх просторово-часові кореляційні функції були б достатньо близькі. Стосовно до антенним системам це передбачає близькість, по крайней мере, форм діаграм спрямованості (ДН) головних пелюсток, визначаються порівнянними за розмірами апертурами антен обох апаратури, або, іншими словами, розміщення в межах габариту НД двох великогабаритних антен. Проте, практично, на сучасних НД розміщення двох великогабаритних антен виявляється неможливим.

Тому на НД, де БРЛС містить дзеркальну антенну систему, використовувалися різні методи комплексування каналів УВС і БРЛС для роботи на єдину великогабаритну антену, а застосування по дециметровому каналу УВС суммарноразностного способу підвищення кутовий роздільної та пропускної здатності дозволило отримати задовільні результати в режимі СНП [2].

Проте створення комплексіроваться спрямованих антен на базі ФАР, що забезпечують роботу в режимі АСЦРО в двох різних (сантиметровому канал БРЛС і дециметровому канал УВС) діапазонах хвиль, є істотно складнішим завданням, ніж у випадку дзеркальних антен. Володіючи значними перевагами за швидкістю управління променем і багатофункціональності роботи, ФАР в теж час істотно програють у вартості і в ширині робочої смуги частот, що обмежує використання ФАР в інтегрованому бортове радіоелектронне устаткування (БРЕО) або призводить до застосування двох антен, кожна з яких працює в своєму вузькому діапазоні частот. Розміщення на НД декількох великогабаритних ФАР, як і у випадку дзеркальних антен, практично неможливо.

Розробка багаточастотних суміщених антен-решіток (МСАР), розміщених в одному розкриві, розглядалася в ряді публікацій [3,4,5]. В [6] перераховані можливі схеми МСАР. Аналіз, проведений в [3-6] показує, що при реалізації комплексіроваться ФАР на основі принципу поєднання, поведінка елемента (комірки) МСАР при скануванні має ряд відмінностей від періодичних ФАР. Ці відмінності відбуваються через зниження коефіцієнта посилення (КУ), появи специфічних додаткових бічних пелюсток в МСАР, додаткового неузгодженості, внесеного випромінювачами сусідніх діапазонів, зменшення сектора сканування, зміни частотних властивостей в кожному піддіапазоні. В МСАР в менш сприятливих умовах звичайно виявляється ФАР більш високочастотного піддіапазону (піддіапазону БРЛС), характеристики якого погіршуються в результаті поєднання в більшій мірі. Перераховані особливості привели до того, що до цих пір немає відомостей про практичну реалізацію на цьому принципі ФАР з необхідними характеристиками.

Інтерферометр складається не менше ніж з двох антен, рознесених на відстань, що вимірюється великим числом довжин хвиль, тому ДН інтерферометра являє собою велику кількість вузьких пелюстків з огинаючої, відповідної ДН одного елемента антени. Так як інтерферометр представляє малоелементні розріджену грати, то виявляється можливим винести його за межі розкриву більш високочастотної ФАР БРЛС і тим самим мінімізувати перераховані вище небажані ефекти [7]. При цьому інтерферометр забезпечує високу кутову роздільну здатність, маючи досить вузьку ДН кожного з пелюсток. Зниження коефіцієнта посилення по каналах апаратури УВС допустимо, тому що тут використовується запитання-відповідь режим роботи, при якому дальність дії пропорційна кореню квадратному з потенціалів РЛС, а потужність відповідного сигналу значна тому відповідний сигнал генерується передавачем апаратури УВС. Недоліком інтерферометра є неоднозначність відліку кутової координати, яка усувається послідовною зміною (комутацією) бази. Однак, у випадку апаратури УВС є можливість для усунення неоднозначності також використовувати наявні в запитальному сигналі додаткові кодові імпульси, призначені для усунення впливу побічних пелюсток [8] і мультиплікативний метод побудови каналу прийому.

Особливістю радіолокаційної апаратури УВС є запитання-відповідь режим роботи, який використовує трехімпульсний код [8]. Трехімпульсний код, поряд з визначенням параметрів, необхідних для роботи системи УВС, (інформаційні імпульси Pi і Рз) використовується для усунення помилкових сигналів, випромінюють (прийнятих) по побічним пелюсткам ДН антенної системи (контрольний імпульс Рг). Для підвищення ефективності усунення впливу сигналів від побічних пелюсток по запиту в деяких випадках застосовують формування декількох контрольних імпульсів (імпульсів заборони Р4 і т.д.) [8], проте робота пристрою усунення впливу побічних пелюсток в кінцевому підсумку грунтується на тих же принципах і допускає поетапне нарощування якості.

III. Експеримент

Як приклад розглянемо побудову інтерферометричної антеною решітки апаратури УВС, комплексіруемой з бортовою ФАР РЛС. Експериментально досліджена інтерферометрична ФАР (ІФАР) каналу запиту апаратури УВС, забезпечує електричне сканування в секторі кутів +30 ° синхронно з ФАР РЛС. ІФАР складається з 4-х випромінювачів каналу запиту, а канал прийому відповідного сигналу з двох випромінювачів. Приймач відповідного сигналу з метою розширення динамічного діапазону і підвищення кутовий роздільної здатності побудований за мультиплікативної схемою.

Два внутрішніх з чотирьох випромінювачів ІФАР каналу запиту розташовані один щодо одного на відстані D = 2A, і порушуються синфазно, через Y-циркулятор при передачі інформаційних імпульсів Pi і Р3, А з третього плеча циркулятора в режимі прийому сигнал надходить на перший вхід мультиплікативного приймача.

Два зовнішніх випромінювача розміщені на відстані 2D = 4X. Вони збуджуються при передачі контрольного імпульсу Рг в протифазі (за допомогою 180 ° фазовращателя в фідері).

Канал мультиплікативного прийому відповідного сигналу містить два випромінювачі, розташованих на відстані 0,5 Х. Випромінювачі конструктивно можуть розташовуватися окремо від випромінювачів ІФАР каналу запиту. Випромінювачі підключені до симетричних висновків кільцевого моста, з сумарного виходу моста сигнал надходить на другий вхід мультиплікативного приймача, а на різницевий вхід моста подається, в режимі передачі, контрольний імпульс Р4 (Якщо він передбачений). Усунення перевантаження на обох входах мультиплікативного приймача здійснюється діодними обмежувачами.

Якщо потрібно забезпечити більш високий коефіцієнт посилення ІФАР, то в якості випромінювачів можуть бути використані антени з більш високим КУ або антенна система з декількох поверхів.

Випромінювачі однієї з половин запитної ІФАР і випромінювачів каналу прийому запитані через керовані фазообертачі, необхідні для забезпечення сканування головного пелюстка ДН в секторі +30 °

Передавальний пристрій має два або три виходи: перший, через який надходять імпульси Pi і Рз трехімпульсного коду, підключений через циркулятор до внутрішніх, які порушуються синфазно випромінювачам ІФАР; другий, через який надходить імпульс Рг придушення впливу бокового випромінювання, підключений до зовнішніх, які порушуються в протифазі випромінювачам ІФАР; третій для контрольного імпульсу Р4, службовця для усунення можливості запиту далекими побічними пелюстками (якщо він передбачений).

У режимі передачі інформаційних імпульсів Pi, P3 випромінюють внутрішні елементи ІФАР, формуючи три пелюстки шириною по 20 ° кожний у встановленому секторі +30 ° Випромінюваний потім через зовнішні, порушувані противофазно елементи ІФАР, контрольний імпульс Рг, формує 6 пелюсток шириною 10 ° кожний. Так як зовнішні випромінювачі ІФАР порушено в протифазі, то провали цих пелюсток розташовуються точно в напрямках максимумів ДН за якими передані інформаційні імпульси Pi і Р3. Це призводить до того, що запитання-відповідь режим реалізується в секторі шириною + 2н-2, 2 °. під кутами 0 ° і +20 °. Однак прийому сигналів з хибних напрямків +20 ° перешкоджає та обставина, що один з входів мультиплікативного приймача підключений до приймальної решітці з двох випромінювачів, формує ДН шириною близько +15 ° (30 °). Режим мультиплікативного прийому призводить до того, що ширина відповідного сигналу складе + 1-5-1,1 °, тобто сигнали з хибних напрямків будуть додатково ослаблені, а кутова роздільна здатність апаратури УВС буде порівнянна з аналогічним параметром ФАР БРЛС.

Введення додаткового контрольного імпульсу Р4, переданого по різницевої ДН двоелементною приймальні решітки, тобто подачею цього сигналу на різницевий вхід кільцевого моста створить ДН шириною порядку +30 ° с провалом під кутом 0 ° і заборонить посилку відповідних сигналів з напрямків +20 °

Керованими від ЕОМ фазовращателямі, включеними в одну з половин запитної ІФАР і каналу прийому, забезпечується сканування всіх пелюсток передавальної і приймальні ДН в секторі +30 °

Експеримент проводився в діапазоні апаратури УВС з використанням антен типу 512 (зав. № № 3002, 3007). Для здійснення сканування діаграм в секторі +30 ° використовувалися аналогові фазообертачі.

Використання інтерферометричний решіток як запитальних антен каналу УВС з описаним методом усунення неоднозначності при визначенні кутових координат показало, що можливе отримання роздільної кутовий здатності апаратури УВС порівнянної з кутовим дозволом ФАР РЛС. Інтерферометрична ФАР апаратури УВС розташовується поза розкриву ФАР РЛС, дозволяючи різко зменшити їх взаємовплив, а подача відповідних команд на фазообертачі дозволяє здійснити синхронне електричне сканування променів обох ФАР. Недоліком розглянутого побудови інтерферометричної ФАР є виникнення, (При використанні одного контрольного імпульсу Рг) під значними кутами декількох вузьких неправдивих зон запиту, що викликають випадкові відповідні сигнали, які, однак, не можуть бути прийняті кореляційним інтерферометром і не заважають роботі запитувача УВС, але за двох контрольних імпульсах і використанні додаткової приймальні решітки як приемопередающей, що формує в режимі передачі різницеву ДН, цей недолік усувається.

I. Список літератури

1. Теоретичні основи радіолокації / під ред.

В. Є. Дулевіча, М.: Сов. Радіо 1978, 607 с.

2. Стахов Е. А. Використання методу суммарноразностной обробки сигналів в бортових антенних пристроях апаратури УВС, Изв. Вузів, Авіаційна техніка. № 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. Воскресенський Д. І., Пономарьов Jl. І. багаточастотні скануючі решітки, Изв. Вузів, радіоелектроніка, 1981, т. 24, 32, с. 4-15.

5. Пономарьов П. І., Степаненко В. І. Результати аналізу та оптимізації двочастотний суміщеної волноводной ФАР. В кн.: Антени. Під ред. А. А. Пістолькорс, М.: Радіо і зв’язок, 1986, вип. 34, с. 68-84.

6. Проблеми антеною техніки. Під ред. Л. Д. Бахраха і Д. І. Воскресенського, М.: Радіо і зв’язок, 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. Радіолокаційні системи аеропортів. 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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.