Волноводный тракт рлс для чего предназначен

РЛС воздушного наблюдения антенно-волноводного тракта

Бакалаврская работа студентки Назаровой Юлии Анатольевны
Руководитель доцент кафедры РТС, к.т.н. Агафонцева О.И.
Тема «РЛС
воздушного наблюдения
антенно-волноводного тракта»
с рассмотрением
Выпускная квалификационная работа посвящена рассмотрению
антенно-волноводного тракта РЛС и особенностям конструктивного
исполнения СВЧ элементов.
Тема бакалаврской работы актуальна, так как она посвящена
рассмотрению антенно-волноводного тракта радиолокационной станции
воздушного наблюдения. В РЛС для передачи энергии СВЧ от передатчика к
антенне и от антенны к приемнику используются как волноводные, так и
коаксиальные линии. Одним из важнейших параметров СВЧ тракта является
согласование. При включении того или иного элемента в волноводную линию
могут возникать отражения, что уменьшает коэффициент бегущей волны и
к.п.д. волноводного тракта, снижает электрическую прочность волноводной
линии и увеличивает влияние отдельных элементов линии друг на друга.

2.

Глава № 1
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РЛС
ВОЗДУШНОГО НАБЛЮДЕНИЯ
В первой главе дана историческая справка по развитию и
становлению отечественных и зарубежных радиолокационных станций.
Проведен анализ рынка РЛС воздушного наблюдения отечественного
и зарубежного производства. На основании анализа рынка выбрана в
качестве прототипа отечественная трехкоординатная кругового обзора
РЛС «Фурке», которая обеспечивает обнаружение воздушных целей.
Проведен
расчет
тактико-технических
характеристик
РЛС
воздушного наблюдения. Анализ результатов расчета показывает, что
полученные технические характеристики проектной РЛС не хуже
прототипа и соответствуют аналогичным РЛС данного класса.

3.

Антенно-волноводные системы (АВС) предназначены для
передачи электромагнитной энергии зондирующих сигналов от
передатчика к антенне, излучения ее в пространство, приема отраженных
эхо-сигналаов и передачи их энергии на вход приемника.
В состав АВС входят антенная система и волноводный тракт.
Функции излучения и приема электромагнитной энергии выполняет
антенная система, функции передачи энергии от передатчика к антенне и
от антенны к приемнику – волноводный тракт.
К основным техническим характеристикам волноводного тракта
относятся:
– степень согласования волноводного тракта с нагрузкой (антенной);
– потери энергии в волноводном тракте;
– максимальная передаваемая мощность.

4.

Принципиальная электрическая схема антенноволноводный тракт РЛС
сантиметрового диапазона волн 19Ж6

5.

Назначение и особенности конструктивного исполнения
элементов СВЧ тракта РЛС
Устройство и принцип работы циркулятора 15ЦВФ-3А

6. Устройство и принцип работы СРЧК (сумматор-разделитель частотных каналов ) в режиме сумматора: а– при прохождении сигналов

7. Выводы по главе:

1. Рассмотрен антенно-волноводный тракт современных РЛС и их
основные характеристики.
2. Проведен анализ и особенности конструктивного исполнения
некоторых элементов СВЧ тракта РЛС.
3. В качестве прототипа выбрана структурная схема антенноволноводного тракта РЛС сантиметрового диапазона волн 19Ж6.

8. Глава 3 РАССЧЕТ ВОЛНОВОДНОГО НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЯ КСВН АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ

Направленный ответвитель является одним из наиболее
распространненых элементов техники сверхвысоких частот, используемый
как в приборах общего назначения, так и в приборах встроенного контроля.
Направленный ответвитель – это двухканальное устройство,
предназначенное для ответвления части энергии из основного тракта в
другой, причем так, что направление передачи энергии во вторичном
тракте зависит от направления передачи в основном тракте. Такое свойство
направленного ответвителя оказывается весьма полезным при решении
ряда практических задач, связанных с передачей энергии, измерением
элементов микроволнового диапазона и др.
В 3 главе приведена классификация направленных ответвителей.
Рассмотрены основные характеристики волноводных направленных
ответвителей. Выбран волноводный направленный ответвитель с
биноминальной характеристикой направленности, который имеет слабую
связь с первичным каналом (30 дБ), направленность не хуже 35…40 дБ.

9. Глава 3 РАССЧЕТ ВОЛНОВОДНОГО НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЯ КСВН АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ

Связь между волноводами первичного и вторичного каналов
направленного ответвителя осуществляется через отверстия (1, 2, 3,…,n),
прорезанные в общей узкой стенке волноводов.
Для расширения рабочей полосы частот, увеличения направленности
(35…40 дБ) применяется многодырочный направленный ответвитель.
Ответвители с ненаправленными связями имеют круглые отверстия
различных диаметров и подразделяются на косинусные, гауссовские,
биноминальные и чебышевские. Связь между волноводами первичного и
вторичного каналов направленного ответвителя осуществляется через
биноминальные отверстия связи (величина связи имеет биноминальный
закон распределения), прорезанные в общей узкой стенке волноводов.
Рассчитан многодырочный направленный ответвитель с ненаправленными
элементами связи (n = 6), выполненный на прямоугольном металлическом
волноводе с поперечным сечением 72×34 мм2 , С = 30дБ, диапазон частот
f1 =2,9∙109 Гц, f2 = 3,13∙109 Гц (Δf/fср = 8%).
Используя ненаправленные связи в ответвителе, можно получить
равномерную характеристику переходного ослабления и высокую
направленность в достаточно широкой полосе частот.

10.

ПС
AIV IV
III AIII
AI I 1
2
n
3
II AII
30.1
30.05
C( f )
30
29.95
29.9
9
2.8 10
9
2.9 10
9
3 10
9
3.1 10
9
3.2 10
f
Зависимость переходного ослабления направленного ответвителя от частоты
80
N( f )
60
40
9
2.8 10
9
2.9 10
9
3 10
9
3.1 10
f
Зависимость направленности ответвителя от частоты
9
3.2 10

11. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Приведена классификация направленных ответвителей и рассмотрены
основные характеристики волноводных направленных ответвителей.
2. Выбран волноводный направленный ответвитель с биноминальными
элементами связи, прорезанными в общей узкой стенке волноводов, что
позволило получить равномерную характеристику переходного ослабления
и достаточную высокую направленность (35…45 дБ) в широкой полосе
частоты.
3. Проведен расчет волноводного направленного ответвителя со слабой
связью.

12. Выводы по работе:

1. Проведен анализ рынка РЛС воздушного наблюдения. На основании
анализа рынка выбрана отечественная трехкоординатная кругового
обзора РЛС «Фурке», которая обеспечивает обнаружение воздушных
целей. Проведен расчет тактико-технических характеристик РЛС.
2. Рассмотрен антенно-волноводный тракт современных РЛС и их
основные характеристики. Проведен анализ и особенности
конструктивного исполнения некоторых элементов СВЧ тракта РЛС.
3.
Выбран
волноводный
направленный
ответвитель
с
биноминальными элементами связи, прорезанными в общей узкой
стенке
волноводов,
что
позволило
получить
равномерную
характеристику переходного ослабления и достаточную высокую
направленность (35…45 дБ) в широкой полосе частоты.
4. Работа выполнена в соответствии с заданием в полном объеме.

Волноводный тракт рлс для чего предназначен

Основные определения, термины
и понятия по военно-технической подготовке

• Военно-техническая подготовка
• Тактитка зенитных ракетных войск
• Боевое применение зенитного ракетного комплекса

5.9. Антенные системы РЛС

5.9.1. Назначение и состав и характеристики типовой АС

Антенная система (АС) (в общем случае включает приемную и передающую антенны) и аппаратура правления лучом предназначены для формирования диаграмм направленности на передачу и прием и управления их положением в пространстве. Как правило, к антенной системе относят волноводные тракты между АС приемником и передатчиком.

Антенной (от лат. antenna – мачта, рей) называется устройство для излучения или приема радиоволн. Передающая антенна преобразует подводимые к ней электромагнитные колебания в излучаемые электромагнитные волны, приемная — преобразует падающие на нее электромагнитные волны (ЭМВ) в колебания, которые затем воздействуют на приемник.

Работа антенны основана на эффекте излучения — преобразовании энергии переменного тока высокой частоты, протекающего по проводнику, в энергию распространяющихся ЭМВ.

Куда и как будет распространяться радиоволна, определяется размерами и формой антенны-излучателя радиоволн. Самой простой радиоантенной является Вибратор Герца.

Рис. 1. Вибратор Герца (полуволновый вибратор)

Вибратор Герца – это два проводника, расходящиеся в противоположные стороны от «точки подключения энергии». Для лучшего излучения радиосигнала, расстояние от конца одного проводника до конца другого должно быть равно половине длины волны излучаемого (или принимаемого) электромагнитного колебания.

Диаграмма направленности полуволнового вибратора имеет форму тороида вращения – форму «бублика».

Рис. 2.Диаграмма направленности полуволнового вибратора.

Задача формирования узкого луча ДН сводится к формированию плоского фронта волны для излучаемой ЭМВ. ( Фазовый фронт волны это совокупность точек пространства, в которых данная волна имеет одинаковую фазу.)

Площадь плоской антенны или площадь поверхности, ограниченной кромкой отражателя зеркальной антенны, называется раскрывом антенны. Излучающим раскрывом или апертурой антенны называется площадь поверхности, на которой поле антенны является синфазным, формируя практически плоские волны. Она отстоит от поверхности антенны на расстояние в несколько длин волн и соизмерима с геометрической площадью раскрыва. Иначе ее называют эффективной площадью антенны Sэфф.

В общем случае, чем больше геометрические размеры антенного полотна и чем больше длин волн укладывается в его сечении, тем более узкой, при всех прочих равных условиях, может быть диаграмма направленности антенны.

Прямым следствием этого является зависимость линейных размеров антенн от диапазона длин волн. Для получения одинаковой ширины ДН антенна РЛС с длиной волны 3 метра должна быть в 100 раз больше, чем антенна РЛС с длиной волны 3 сантиметра.

Технические характеристики антенных систем РЛС.

Основными техническими характеристиками современных антенных систем являются:

— масса и габариты;

— рабочий диапазон длин волн;

— форма диаграммы направленности и ширина ее главного лепестка;

— время переноса луча из одного положения в другое, или доступная скорость сканирования;

— для ФАР дополнительной характеристикой является ширина рабочего сектора, в пределах которого возможно электронное управление лучом без потери качества ДН.

Антенная система РЛС является одним из самых крупных и тяжелых элементов конструкции. Например, антенная система станции управления стрельбой имеет суммарную площадь раскрыва более 10 м2. Поэтому для обеспечения мобильности аппаратуры во всех РЛС предусмотрена возможность складывания антенной системы.

Рабочий диапазон длин волн для РЛС обнаружения на малых высотах и РЛС управления стрельбой – сантиметровый, для РЛС обнаружения на средних и больших высотах – дециметровый.

Диаграмма направленности антенны это графическое изображение распределения уровней мощности, излучаемой антенной на одинаковом расстоянии от нее в различных направлениях какой-либо плоскости, проходящей через центр или ось антенны.

Все антенны РЛС способны обеспечить ширину луча порядка 1 градуса. Однако следует учесть, что кроме основного луча ДН, у всех антенн есть еще боковые и фоновые лепестки ДН (рис. 3). Уровень боковых лепестков на 30-40 дБ (в 1000 – 10000 раз) ниже уровня основного лепестка.

Форма главного лепестка тоже может быть различной: для максимально точного определения двух угловых координат на больших дальностях следует использовать ДН игольчатой формы, а для одновременного просмотра всех доступных углов места на каждом конкретном азимуте следует формировать ДН узкую по азимуту и широкую по углу места – веерную или косекансную (рис. 4).

Рис. 4. Сечения диаграмм направленности в угломестной плоскости.

Важность учета формы ДН обусловлена тем, что обнаруживать слабые сигналы от цели РЛС может только главным лепестком ДН, а принимать мощные помеховые сигналы РЛС может и по боковым и по фоновым лепесткам. При этом помеховый сигнал, принятый боковым лепестком за счет высокой мощности (на 70-80 дБ больше целевого сигнала) помехи будет препятствовать обнаружению целей по главному лепестку.

Именно на постановке помех по боковым лепесткам ДН основывается применение СВКН бортовой аппаратуры постановки активных помех в режиме взаимного прикрытия.

Для обзорных РЛС важным параметром является скорость сканирования, прямо пропорциональная скорости обновления информации о воздушной обстановке. Она составляет от 6 до 25 оборотов в минуту у различных типов РЛС из состава ЗРС. Дополнительно к механическому круговому сканированию ФАР могут использовать электронное управление лучом, расширяя возможности станции.

Для современных РЛС управления стрельбой круговое сканирование не имеет смысла. Важность приобретает время переноса луча с одной цели на другую в пределах рабочего сектора, ширина которого может превышать 1000.

5.9.2. Зеркальные АС

Плоский фазовый фронт создается с помощью отражающих поверхностей – зеркал. Поэтому они называются — антенны отражательного типа или зеркальные антенны. Их основными элементами являются облучатель, который подводит высокочастотную электромагнитную энергию от передатчика к антенне, и рефлектор (отражатель), фокусирующий ее в узконаправленный луч заданной конфигурации.

Облучатель помещается в фокусе отражателя, в качестве которых применяют параболические или сегментно — параболические цилиндры, усеченные параболоиды вращения и другие аналогичные поверхности. Наиболее распространены однозеркальные антенны, облучаемые из фокуса или фокальной плоскости (рис. 1)

Рис.1 Принцип действия зеркальной антенны

В РЛС дециметрового и сантиметрового диапазонов облучателем чаще всего является рупор, которым оканчивается волновод, в метровом диапазоне для этого используются вибраторы, размеры которых зависят от длины генерируемой станцией волны.

Недостатком зеркальных антенн является необходимость механического (т.е. медленного) перемещения антенны для изменения направления излучения.

АС РЛС обнаружения на малых высотах.

Для увеличения дальности прямой видимости АС размещается только на вышке высотой от 20 метров.

АС включает приемную и передающую зеркальные антенны разделенные экраном для защиты приемника от проникающего сигнала передатчика (рис. 2).

Рис. 3. Приемная и передающая зеркальные антенны

Антенная система позволят формировать диаграммы направленности двух видов: косекансную или игольчатую. В азимутальной плоскости диаграммы обоих видов имеют одинаково малую ширину примерно в один градус. В угломестной плоскости рабочая часть косекансной диаграммы направленности обеспечивает примерно одинаковую интенсивность отраженных сигналов при различных наклонных дальностях до цели (т. е. передача и прием в направлении более удаленных целей ведутся с большей интенсивностью).

Диапазон длин волн — сантиметровый. Круговое сканирование по азимуту осуществляется за счет вращения антенной системы, совместно с аппаратным контейнером со скоростью более 20 оборотов в минуту.

Для защиты от АШП, действующих по боковым лепесткам ДН, в АС применяется антенна подавления боковых лепестков (ПБЛ).

Для определения государственной принадлежности целей в состав АС входит антенна наземного радиозапросчика.

5.9.3. АС на базе фазированных антенных решеток (ФАР)

Рост боевых возможностей средств воздушного нападения потребовал сокращения времени переноса луча с одной цели на другую.

Суть подобного управления заключается в замене одного мощного источника излучения (рупора) множеством элементарных слабонаправленных излучателей, расположенных непосредственно в плоскости раскрыва антенны и строго упорядоченных по строкам и столбцам. За счет явления интерференции (сложения с учетом фазы) суммарная энергия излучения в направлении цели остается прежней. Однако, если изменить начальные фазы элементарных облучателей антенная система приобретет новое свойство – направление излучения изменится, без механического перемещения антенны. Таким образом расположив управляемые по фазе элементарные излучатели в узлах жесткой решетки, получаем антенну с хорошими направленными свойствами но с электронным управлением положением луча.

Подобные системы называются фазированными антенными решетками (ФАР). Решетками потому, что конструктивно излучающие элементы располагаются в виде решетчатой структуры, образуя антенное полотно, а фазированными потому, что имеется возможность управлять процессом формирования диаграммы направленности зондирующего сигнала.

Наиболее просты в реализации ФАР проходного типа, в которых управляемые элементы не генерируют ЭМВ самостоятельно, а лишь переизлучают сигнал от мощного неуправляемого по фазе источника.

Рис. 1. Управляемый излучатель ФАР

Управляемый излучатель состоит из управляемого ферритового фазовращателя (ФВ), двух диэлектрических излучателей и схемы управления. Фазовращатель выполняет роль управляемой задержки сигнала на время, не превышающее периода СВЧ колебаний.

Антенное полотно представляет собой прямоугольный каркас, в котором расположены антенные элементы (управляемые излучатели) и другая необходимая радиоаппаратура. Всего в составе ФАР может быть несколько тысяч таких управляемых излучателей. Они идентичны по своим характеристикам, одинаково ориентированы в пространстве и располагаются на некотором расстоянии друг от друга, образуя строки и столбцы антенной решетки.

Рис.2. Принцип действия ФАР

Принцип работы ФАР проходного типа:

1. Слабонаправленный рупор – источник передаваемого сигнала формирует ЭМВ со сферическим фазовым фронтом (на рис. 2 показана черным цветом).

2. Для формирования узкой ДН сферический фазовый фронт необходимо преобразовать в плоский, для чего формируется первая часть фазового распределения, компенсирующая кривизну сферического фазового фронта (на рис. 2 показана синим цветом).

3. Поскольку ЭМВ всегда распространяется по нормали к фазовому фронту, для управления положением луча необходимо наклонить весь фазовый фронт. Для этого формируется вторая часть фазового распределения (на рис. 2 показана красным цветом).

4. С помощью цифрового вычислителя фазы (ЦВФ) формируется суммарное фазовое распределение и заносится в управляющие цепи фазовращателей.

5. При прохождении полотна ФАР сферическая волна преобразуется в плоскую, имеющую необходимый наклон, что ориентирует луч выбранном направлении.

Аналогично ФАР работает и при приеме отраженного от цели сигнала. При этом падающая плоская волна преобразуется в сферическую с вогнутым фронтом и фокусируется на приемном рупоре, поскольку состояние фазовращателей осталось прежним.

АС РЛС обнаружения на средних и больших высотах

Основным элементом АС является приемо-передающая антенна на базе ФАР проходного типа. Диаграмма направленности антенны игольчатая, ширина главного лепестка составляет примерно 1,5 градуса. Диапазон частот — дециметровый.

ФАР, совместно с аппаратурой управления лучом , обеспечивает возможность электронного перемещения луча в угломестной и азимутальной плоскостях в переделах сектора сканирования – от нормали к плоскости антенны 60 – 70° по углу места и ± 52,5° по азимуту. Время переноса луча составляет сотни микросекунд. Азимутальный привод вращения задает вращение всей антенной системы вкруговую с частотой 6 или 12 оборотов в минуту Сканирование пространства по угловым координатам осуществляется последовательно столбцевым методом рис. 3. Перемещение луча по азимуту — за счет вращения антенной системы и, при необходимости, электронным способом, по углу места только электронным способом.

Рис. 3. Сканирование по угловым координатам в импульсной РЛС.

Особенностью антенной системы является возможность формирования луча обеими сторонами ФАР, для чего облучатели размещены по обеим сторонам антенного полотна. Это свойство позволяет визировать сопровождаемые цели с удвоенной частотой обращения (рис. 4).

Рис. 4. Двухстороннее сканирование ФАР

Для определения государственной принадлежности целей в состав АС входит антенна наземного радиозапросчика.

Для защиты от активных шумовых помех (АШП), действующих по боковым лепесткам ДН, выделены антенны компенсационных каналов.

Особенностью волноводного тракта является наличие вращающегося сочленения между неподвижным РПУ и вращающимися АС и РПрУ.

АС многофункциональной РЛС.

Основным элементом АС является приемо-передающая антенна на базе ФАР проходного типа.

Диаграмма направленности антенны игольчатая, ширина ее главного лепестка зависит от выбранного режима работы и может составлять величину менее одного градуса. Диапазон длин волн — сантиметровый.

Рабочее положение АС – наклонное (т.е не вертикальное). ФАР, совместно с аппаратурой управления лучом , обеспечивает возможность электронного перемещения луча в вертикальной и наклонной плоскостях, относительно нормали проведенной к антенному полотну. Максимальное отклонение луча в обеих плоскостях ограничено размерами рабочего сектора. Время переноса луча составляет сотни микросекунд.

Для изменения положения рабочего сектора применен азимутальный привод, обеспечивающий механический разворот антенной системы и контейнера с приемопередающей аппаратурой.

Для определения государственной принадлежности целей в состав АС входит ФАР наземного радиозапросчика.

Для защиты от АШП, действующих по боковым лепесткам ДН, используются дополнительные слабонаправленные компенсационные антенны, также реализованные на базе ФАР.

Антенная система установлена на аппаратном контейнере с приемо-передающей аппаратурой и может эффективно вести боевую работу как с шасси автомобиля МАЗ (рис. 5), так и с вышки высотой 20 или 40 м.

Рис. 5. АС РЛС управления стрельбой

Приемный и передающий облучатели ФАР должны находиться в фокусе антенны, поскольку в одной точке расположить два облучателя невозможно, то для обеспечения их пространственного разноса и развязки между приемным и передающим трактами используется поляризационный фильтр (рис. 6).

Рис. 6. Принцип действия поляризационного фильтра.

Он представляет собой систему металлических струн, натянутых параллельно вектору напряженности электрического поля излучаемой ЭМВ. Расстояние между струнами выбрано таким, чтобы падающий на них зондирующий сигнал (волна с горизонтальной поляризацией) отражался в плоскость антенной решетки, а принимаемый отраженный (это волна с вертикальной поляризацией) проходил практически без потерь в приемный облучатель.

После отражения от поляризационного фильтра СВЧ энергия от передатчика проходит через поляризатор, преобразующий линейную поляризацию волны в круговую.

Поляризатор представляет собой систему плоских параллельных металлических пластин, образующих сферическую поверхность. Пластины расположены под углом 45° к направлению вектора электрического поля падающей волны, которую можно представить в виде суммы двух составляющих: параллельной плоскости поляризатора и перпендикулярной ей.

Первая из них проходит между пластинами как в волноводе и изменяет свою скорость, а вторая (перпендикулярная) проходит через устройство без изменения фазовой скорости. В результате на выходе поляризатора между ними возникает фазовый сдвиг. Ширина пластин выбрана такой, чтобы этот сдвиг составлял 90° и обеспечивал тем самым образование волны с круговой поляризацией и левым направлением вращения.

В пространстве ЗС отражается от цели. При этом сохраняется круговая поляризация, но направление ее вращения меняется на противоположное.

При работе АС на прием на поляризатор падает волна с круговой поляризацией и правым направлением вращения, которая после прохождения через него преобразуется в волну с линейной вертикальной поляризацией, проходит через поляризационный фильтр и фокусируется в приемной облучателе.

В рассматриваемой РЛС используется суммарно-разностная обработка принимаемых сигналов, поэтому приемный облучатель имеет три канала: один суммарный и два разностных и называется моноимпульсным приемным облучателем (МПО). Конструктивно он представляет собой систему рупоров, состоящую из основного облучателя и четырех дополнительных рупоров (рис.7).

Рис. 7 Внешний вид моноимпульсного приемного облучателя.

Основным двухрупорным облучателем является сдвоенный прямоугольный волновод с общей стенкой в Н-плоскости. При своем возбуждении он формирует в каждой плоскости пеленгации по две парциальные (то есть частичные) приемные диаграммы направленности (рис. 8), разнесенные в пространстве на половину ширины и имеющие единый фазовый центр.

Дополнительные рупоры располагаются попарно вертикально и горизонтально относительно основного облучателя и участвуют только в формировании разностных диаграмм. МПО имеет три выходных канала, сигналы которых с помощью волноводных тройников формируются из сигналов, принимаемых различными ДН приемного облучателя.

Рис. 8. Парциальные диаграммы направленности МПО.

Выход å основного облучателя формирует суммарный сигнал на основе принимаемой всеми рупорами СВЧ энергии.

Выход Djв формирует разностный сигнал в вертикальной плоскости.

Выход Djн — формирует разностный сигнал в наклонной плоскости.

Таким образом, с выходов МПО по приемному волноводному тракту, также состоящему из трех каналов, на входное приемное устройство сопровождения одновременно поступает три сигнала — суммарный и два разностных.

2.3. Антенно-волноводная система

2.3.1. Назначение, технические характеристики и состав системы

Антенно-волноводная система предназначена для передачи им­пульсов высокочастотной энергии от передатчика к антенне, направ­ленного излучения их в пространство, приема отраженных сигналов и передачи их в приемную систему, а также обеспечения скрытой наст­ройки РЛС.

Технические характеристики антенно-волноводной системы:

1. коэффициент бегущей волны (КБВ) – 0,8;

1. антенна;
2. устройство скрытой настройки и воздушная помпа.

1. ответвитель (17);
2. эквивалент антенны (18);
3. объемный резо­натор (16);
4. детекторная секция (22);
5. поглотитель (21).

2.3.2. Режим излучения зондирующих сигналов и приема отраженных сигналов

Включение режима осуществляется постановкой переключателя «АНТЕННА-НАГРУЗКА» в положение «А». Импульс электромагнитной энергии от магнетрона через волно­вод с подкачкой поступает к ответвителю АПЧ. Незначительная часть этой энергии ответвляется к смесителю АПЧ, а основная часть через ферритовый антенный переключатель (рис.12) подводится к переключателю «АН­ТЕННА-НАГРУЗКА» (рис.14) и далее через волноводную измерительную секцию, гибкий волновод, азимутальный вращающийся переход (рис.15), поворотное сочленение и угломестный вращающийся переход подается к переклю­чателю «ПОИСК-ПЕЛЕНГ» (рис.16), который направляет энергию к облучателю поиска или к облучателю пеленга (рис.17). Ферритовый переключатель защищает входные устройства приемной системы от падения на них мощного прямого сигнала от магнетрона, обеспечивает беспрепятственное прохождение в приемную систему отраженных от цели сигналов и защищает магнетрон от воздействия отраженной волны. Общий вид и принципиальная схема переключателя приведены на рис.12, 13. Основными элементами переключателя (рис.12) является: щелевые мосты 1, 5, секция с ферритовыми пластинами 2 и фазовращатель 4. Щелевой мост представляет собой конструкцию из двух волноводов, имеющих общую узкую стенку. Электромагнитная связь между волноводами осуществляется при помощи окна. В центре окна имеется винт 8. Размеры окна выбраны так, что если в одно из плеч щелевого моста попадает электромагнитная волна, то ее энергия делится пополам между противоположными плечами, в которых волны оказываются сдвинутыми по фазе на 90 0 , а в соседнее плечо энергия не поступает. Секция с ферритом представляет собой сдвоенный волновод, к общей стенке которого приклеены симметрично с двух сторон две ферритовые пластины. Намагничивание ферритовых пластин осуществляется постоянным магнитом 3. Размеры пластин подобраны так, что при данном постоянном подмагничивающем поле, при работе переключателя на передачу, пластины в каналах I и II дают фазовый сдвиг электромагнитной волны 90 0 и 0 0 соответственно. При изменении направления распространения волны на обратное пластина, расположенная в канале II, сдвигает фазу волны на 90 0, а пластина в канале I дает нулевой фазовый сдвиг. Потери в каждой пластине не превышают 0,3 дБ. В одном из плеч второго щелевого моста параллельно узкой стенке расположена фторопластовая пластина (фазовращатель). Расстояние пластины от стенки подобрано так, что сдвиг фазы волны в волноводе с фазовращателем составляет 90 0 и не зависит от направления распространения электромагнитной волны. При работе переключателя на передачу сигнал поступает в плечо I. Первый щелевой мост делит энергию сигнала пополам и обеспечивает сдвиг фазы волны, поступающей в канал II, на 90 0 . В канале I сигнал, распространяясь через секцию с ферритом, получает сдвиг фазы в 90 0 и далее 90 0 за счет фазовращателя. В канале II фаза волны не изменяется. Таким образом, ко второму щелевому мосту сигналы из I и II каналов приходят сдвинутыми между собой по фазе на 90 0 . При распространении энергии через второй щелевой мост фаза электромагнитной волны, поступающей из канала II в канал I и обратно, изменяется на 90 0 . Следовательно, на выход канала I поступают два сигнала равной мощности и в одинаковой фазе, которые складываются и направляются к антенне. Сигналы на выходе канала II оказываются сдвинутыми на 180 0 (в противофазе),и в этом направлении энергия распространяться не будет. Создаваемая ферритовым переключателем развязка (не менее 10 дБ) между магнетроном и приемником недостаточна для защиты приемной системы от повреждения мощным импульсом передатчика, поэтому вход приемной системы дополнительно защищается разрядником. При работе на прием сигнал из антенны поступает в плечо 3 переключателя. Щелевой мост делит энергию сигала пополам между каналами I и II, сдвигает фазу сигнала, поступающего в канал II, на 90 0 . В канале II фаза сигнала сдвигается еще на 90 0 при прохождении ферритовой пластины. В канале I фаза сигнала сдвигается на 90 0 фторопластовой пластиной, ферритовая пластина в канале I фазу не сдвигает. После прохождения второго щелевого моста сигналы складываются в фазе в плече 2 и поступают в приемную систему. В плечо 1 энергия принятого сигнала не идет, так как сигналы из каналов I и II приходят сюда в противофазе. С помощью измерительной секции в процессе работы передатчика возможно измерение генерируемой мощности. Для этого к измеритель­ной секции подключается измеритель мощности типа М2-3/1. Наличие гибкого волновода исключает поломки элементов волно­водного тракта при движении ЗСУ, а азимутальный и угломестный вращающиеся переходы обеспечивают передачу электромагнитной энер­гии при разворотах антенны по азимуту и углу места. Поворотное сочленение позволяет переводить антенну из походного положения в боевое и обратно. Положение переключателя «ПОИСК-ПЕЛЕНГ» зависит от положения тумблеров «ПОИСК-ПЕЛЕНГ», «РЕЖИМ I — РЕЖИМ II» и кнопок «АВТОМАТ», «НАВЕДЕНИЕ» на пульте управления оператора поиска. При постановке тумблеров в положение «ПЕЛЕНГ» или «РЕЖИМ II» в любом случае пе­реключатель будет подключать волноводную систему к облучателю пе­ленга, при постановке тумблеров в положение «ПОИСК» или «РЕЖИМ I» при нажатой кнопке «АВТОМАТ» к волноводной системе будет подклю­чен облучатель пеленга, при нажатой кнопке «НАВЕДЕНИЕ» – облуча­тель поиска. В последнем случае возможно измерение чувствительности при­емной системы через ответвитель (14). Облучатели излучают электромагнитную энергию в виде сфери­ческой волны, которая с помощью двухзеркальной решетчатой системы (рис.20) преобразуется в плоскую и излучается в пространство узким лучом (рис.21). Если к волноводной системе подключен облучатель поиска, то проис­ходит качание (сканирование) диаграммы направленности антенны (ДНА) по углу места в секторе 15 о , а если облучатель пеленга – коническое развертывание (сканирование) ДНА (рис.22). Сканирование ДНА в режиме поиска осуществляется вращением запитывающего рупора облу­чателя поиска, а в режиме пеленга– вращением облучателя пеленга специальными электродвигателями. Если в зоне действия ДНА есть цель, то в промежутках между излучением зондирующих импульсов, на вход антенны поступают отра­женные от цели сигналы, называемые эхо-сигналами. Они представляют собой радиоимпульсы, задержанные по времени относительно зондирующих в зависимости от дальности до цели (чем больше дальность до цели, тем больше время задержки t_з). Амплитуда эхо-сигналов тем меньше, чем больше дальность до цели. Несущая частота эхо-сигналов отли­чается от несущей частоты зондирующих импульсов на доплеровскую прибавку F_дц (знак прибавки зависит от приближения или удаления цели, «+» и «-» соответственно). Если цель неподвижна, то допле­ровская прибавка частоты отсутствует. В режиме автосопровождения, если цель несколько смещена с оптической оси антенны (т.е. находится не на равносигнальном нап­равлении) эхо-сигналы представляют собой радиоимпульсы от одной цели, огибаю­щая которых изменяется с частотой вращения пеленгового облучате­ля 63 Гц. В этой огибающей заключена информация о смещении цели от равносигнального направления. Ее фаза определяет направление смещения, амплитуда–величину смещения (это не относится к зависающему вертолету–в эхо-сигнале от вертолета имеется доплеровская прибавка частоты за счет турбинно­го эффекта, возникающего при вращении винтов вертолета). Эхо-сигналы принимаются антенной и поступают в облучатель поиска или пеленга в зависимости от режима работы РЛС. Далее, че­рез волноводное устройство эхо-сигналы поступают к ферритовому антенному переключателю, который направляет их на вход приемной системы. Входом приемной системы является разрядник защиты прием­ника РР-187.

Волноводный тракт рлс для чего предназначен

Основные определения, термины
и понятия по военно-технической подготовке

• Военно-техническая подготовка
• Тактитка зенитных ракетных войск
• Боевое применение зенитного ракетного комплекса

5.11. Радиоприемные устройства (РПрУ) РЛС

5.11.1. Назначение и характеристики радиоприемных устройств РЛС

Радиоприемное устройство (РПрУ) радиолокационной станции решает следующие основные задачи:

• выделение сигналов, отраженных от воздушных объектов, из множества других сигналов (частотная селекция);
• усиление отраженных сигналов и их преобразование по частоте;
• детектирование высокочастотных сигналов и преобразование их к виду, удобному для отображения на экране индикаторного устройства;
• обработка сигналов с целью подавления помех.

Основные технические характеристики РПрУ :

Чувствительность приемника Pпр min это минимальная мощность сигнала на его входе, при которой еще возможен устойчивый прием и обнаружение отраженных сигналов с заданной вероятностью.

Различают предельную и реальную чувствительность.

Предельной чувствительностью приемника Pпр. min называют такую минимальную мощность сигнала на входе приемника, которая обеспечивает на выходе его линейной части (входе детектора) отношение по мощности сигнала к шуму, равное единице.

,

где: — эффективная шумовая температура антенны;

П эф — эффективная (шумовая) полоса пропускания РПрУ;

Кш пр — коэффициент шума РПрУ;

n — коэффициент различимости;

Т0 = 293 К — стандартная шумовая температура;

k=1,38 10-23 Дж/С — постоянная Больцмана.

Коэффициент различимости численно равен минимально допустимому отношению сигнал/шум на выходе линейной части приемника, при котором сигнал на выходе приемника может быть уверенно обнаружен.

Коэффициент шума каскада Кш показывает, во сколько раз ухудшится отношение сигнал/шум (Рс/Рш) при прохождении этого каскада:

Коэффициент шума РПрУ Кш пр, состоящего из n каскадов (рис.), определяется через коэффициенты усиления и шума каждого каскада

Рис. Принцип определения коэффициента шума многокаскадного РПрУ

Реальной чувствительностью приемника Pp.min называют такую мощность сигнала на его входе, которая обеспечивает на выходе линейной части приемника отношение сигнал/шум, равное коэффициенту различимости q .

Реальная и предельная чувствительность связаны зависимостью:

Pp . min = P п p . min ´ q .

Чувствительность приемника тем выше, чем меньше величина Pпp.min. В современных приемниках РЛС Pпp.min = 10-13 – 10-18 Вт.

Чувствительность приемника РЛС ограничивается его собственными шумами. Они возникают в антенно-волноводном тракте, сопротивлениях, электронных лампах и полупроводниковых приборах.

Причинами шумов являются беспорядочное тепловое движение электронов в проводниках, неравномерное излучение электронов катодами в электронных лампах и т.д. С увеличением температуры уровень собственных шумов возрастает. Интенсивность шумов весьма мала. Однако проходя через приемник с большим усилением, они создают на его выходе напряжение, способное привести в действие оконечное устройство. На экране индикатора они наблюдаются в виде шумовой дорожки.

Динамический диапазон приемника показывает отношение максимального и минимального входных сигналов, в пределах которого он еще обеспечивает нормальную работу. Важность динамического диапазона связана с наличием на его входе помех и большого разброса амплитуд полезных сигналов. Количественно динамический диапазон оценивается выраженным в децибелах отношением максимального входного сигнала, обработка которого приемником производится еще с допустимыми искажениями, к чувствительности приемника,:

Д=10 ´ lg (Рпр.max /Р пр.min) .

Динамический диапазон приемных систем современных РЛС должен быть не менее 70 — 80 дБ. Его расширение достигается за счет повышения чувствительности приемника, применения схем регулирования усиления и использования специальных усилительных приборов.

Усилительные свойства приемника характеризуются коэффициентом усиления . Различают коэффициент усиления по мощности КР и коэффициент усиления по напряжению КU.

Коэффициент усиления по мощности – это отношение мощности сигнала на выходе приемника Рвых. к мощности на его входе Рвх.:

КР=Рвых/Рвх .

Коэффициент усиления по напряжению определяется аналогично:

КU=Uвых/ Uвх .

Коэффициент усиления определяется в относительных единицах или децибелах:

К U дб =20 lg К U .

КРдб=10 lg КР .

В современных приемниках общее усиление может достигать

КР = (0,1-10)´1013 или соответственно КР = 120 — 140 дБ.

Избирательность показывает возможность устойчивого приема полезного сигнала в условиях наличия других сигналов. (Избирательность может быть пространственная, частотная, временная и т. п.).

Количественно частотная избирательность приемника характеризуется его полосой пропускания D f . Избирательность приемника тем выше, чем ближе форма его амплитудно-частотной характеристики к П-образной.

Диапазон рабочих частот определяется значением крайних частот, обрабатываемых приемником. Он определяется следующими требованиями:

• приемник должен допускать настройку на любую частоту диапазона;
• характеристики приемника в этом диапазоне должны изменяться в заданных пределах.

Зачастую диапазон рабочих частот называют по длине волн, обрабатываемых приемником. В диапазоне СВЧ, например, различают приемники сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов.

Помехоустойчивостью приемника называют его способность обеспечивать достоверное выделение полезного сигнала при действии различного рода помех.

К основным эксплуатационным характеристикам радиоприемников относятся:

Электромагнитная совместимость (ЭМС ) — это возможность совместной работы радиоэлектронной аппаратуры с другой аппаратурой, которая создает мешающее радиоизлучение.

Надежность работы, которая оценивается средним временем или вероятностью безотказной работы. Эта характеристика зависит как от выбранной структурно-функциональной схемы приемника, так и от надежности отдельных элементов схемы, их количества, облегченных режимов работы наиболее важных элементов, в особенности электронных приборов. Главным направлением повышения надежности является использование интегральной техники, а также дублирование и резервирование наименее надежных элементов или целых узлов приемника.

Габариты и масса приемника. Линейные размеры, занимаемый объем, а также масса часто являются одними из основных характеристик приемников, устанавливаемых на вооружении и военной технике.

Ремонтопригодность , определяющая характер устранения неисправностей, т.е. возможность замены элементов, целых блоков или приемника в целом.

К основным производственно — экономические характеристикам радиоприемников относятся: стоимость приемника, сроки морального износа, соответствие мировым стандартам, степень унификации.

5.11.2. Супергетеродинный приемник

Приемная система радиолокационной станции обнаружения воздушных объектов выполняется, как правило, по схеме супергетеродинного приемника (рис. 1).

Рис.1. Структурная схема типового супергетеродинного приемника

Отличительной особенностью супергетеродинного приема является перенос спектра принимаемого сигнала из области высокой частоты (единицы — десятки гигагерц) в область промежуточной частоты (единицы — десятки мегагерц) с помощью местного маломощного генератора (гетеродина).

— основная оптимальная обработка принятого сигнала — усиление и частотная селекция в супергетеродинном приемнике вынесена из области высоких частот в область промежуточных и осуществляются в усилителе промежуточной частоты (УПЧ). На промежуточных частотах (единицы — десятки МГц) обработка сигнала технически проще и существенно дешевле, чем на высоких (единицы — десятки ГГц).

— при изменении несущей частоты сигнала нет необходимости менять параметры настройки оптимального приемника, достаточно изменить частоту гетеродина.

Это дает возможность строить приемники радиосигналов на различных несущих частотах с хорошими показателями чувствительности и избирательности, так как основная обработка сигнала осуществляется в диапазоне промежуточных частот.

На вход усилителя высокой частоты (УВЧ) поступает смесь сигналов и помех от антенны. УВЧ выполняет предварительную селекцию по частоте, тем самым, обеспечивая защиту приемника от зеркальных каналов приема (рис. 2).

Рис. 2. Принцип частотной селекции в супергетеродинном РПрУ.

Усиление сигналов в УВЧ обеспечивает высокую чувствительность приемника в целом за счет снижения коэффициента шума.

Преобразователем частоты называют устройство, с помощью которого спектр принимаемого сигнала переносится, из области высокой частоты, в область промежуточной частоты. Если преобразование сигнала выполнено без искажений, то сохраняется вся информация, заложенная в параметрах модуляции принимаемого сигнала, а значение промежуточной частоты fПЧ будет равно

где fС и fГ — частоты, соответственно, сигнала и гетеродина.

УПЧ обеспечивает основное усиление и частотную избирательность приемника.

Детектор (Д) выделяет закон модуляции сигнала, т.е. извлекает полезную информацию.

5.11.3. Радиоприемное устройство РЛС с непрерывным ЗС

Используется в РЛС обнаружения на малых высотах на дальности прямой видимости в условиях постановки противником помех. Диапазон длин волн – сантиметровый.

Основные требования, предъявляемые к радиоприемному устройству (РПрУ):

— оптимальная обработка и измерение параметров ЗС двух видов: немодулированный непрерывный сигнал и непрерывный сигнал с линейной частотной модуляцией;

— возможность быстрой перестройки частоты.

Приемное устройство такой станции имеет вид, показанный на

Основными элементами приемника являются усилитель высоких частот, преобразователь частоты принятого сигнала и линейка частотных фильтров.

Задача усилителя высоких частот – усиление принятого сигнала до величины, необходимой для дальнейшей уверенной его обработки (извлечения полезной информации).

Преобразователь частоты позволяет понизить частоту принятого сигнала до некоторого промежуточного значения, на котором могут работать последующие каскады приемника. Полезная информация при этом сохраняется.

Линейка частотных фильтров представляет собой набор фильтровых каналов, настроенных на различные резонансные частоты. Количество таких фильтров зависит от того, какие пределы разрешения воздушных объектов по тем или иным координатам заложены в технические характеристики станции.

Получив на выходе приемного устройства необходимый полезный сигнал можно отобразить его на экране контрольного индикатора. При этом станция может не только определить наличие воздушного объекта, но и оценить некоторые его характеристики. Например, скорость полета и направление движения относительно РЛС.

5.11.4. Радиоприемное устройство РЛС с импульсным ЗС

Используется в РЛС обнаружения на средних и больших высотах, для работы на максимально возможных дальностях в условиях постановки противником помех. Диапазон длин волн – дециметровый.

Основные требования, предъявляемые к радиоприемному устройству (РПрУ):

— оптимальная обработка и измерение параметров импульсного ЗС двух видов: простой прямоугольный радиоимпульс и радиоимпульс с линейной частотной модуляцией;

— возможность быстрой перестройки частоты.

Построено по схеме супергетеродинного приемника. Реализует обработку обоих видов зондирующих сигналов с помощью оптимальных фильтров. Приемник способен обнаруживать цели в автоматическом режиме, для чего в состав приемника включены пороговые устройства (факт превышения принятым сигналом порога воспринимается как обнаружение цели). Для повышения качества обнаружения сигналов в РПрУ применяется последетекторное (некогерентное) накопление сигналов и повторная проверка на превышение порога.

Особенностью данной РЛС является отсутствие собственных вычислительных средств, поэтому для дальнейшей обработки РЛИ применяются вычислительные мощности командного пункта ЗРС.

5.11.5. Радиоприемное устройство многофункциональной РЛС

Используется в качестве многофункциональной РЛС управления стрельбой в условиях постановки противником помех. Диапазон длин волн – сантиметровый.

Основные требования, предъявляемые к радиоприемному устройству (РПрУ):

— оптимальная обработка и измерение параметров различных видов сигналов:

при поиске цели КППРИ;

при визировании цели КППРИ;

при захвате и визировании ракеты пачка ответных импульсов;

при приеме бортовой информации ракеты — ее импульсный код;

— возможность быстрой перестройки частоты.

Радиоприемное устройствомногофункционального локатора представляет собой совокупность нескольких специализированных приемников:

• для параллельного обзора пространства по координатам дальность-скорость при поиске целей используется многоканальный корреляционно-фильтровой приемник;
• для измерения координат целей используется корреляционно-фильтровой приемник, реализующий дискриминаторы для всех измеряемых координат;
• для захвата ракет, измерения их координат, приема бортовой информации по линии связи ракета-РЛС используется широкополосный приемник с некогерентным накоплением сигналов.

Рис. Структура РПрУ

Перестройка частоты всех приемников осуществляется синхронно с изменением несущей частоты ЗС.

Для защиты от АШП, действующих по боковым лепесткам ДН, в высокочастотной части РПрУ реализован многоканальный квадратурный автокомпенсатор помех. В случае воздействия АШП по главному лепестку ДН, приемник, совместно с вычислительными средствами УУиС, обеспечивает определение направления на помехопостановщик (определяет пеленг постановщика помехи).

Для защиты от пассивных помех (ПП) в состав всех каналов целевых приемников включены частотно-временные селекторы.

Во всех приемниках используются цепи автоматической регулировки усиления (АРУ) и автоматической регулировки фазы (АРФ):

• в измерительных приемниках для устранения аппаратных (т.е. вносимых некорректными настройками аппаратуры) ошибок в измерении координат;
• в обзорном приемнике (используется только АРУ по шумам) для стабилизации уровня ложных тревог при автоматическом принятии решения о наличии или отсутствии цели.