RU2161847C1

RU2161847C1 - Antenna system of meteorological locator

Info

Publication number: RU2161847C1
Application number: RU2000107716A
Authority: RU
Inventors: В.Э. Иванов; С.Н. Шабунин; С.Т. Князев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью предприятие "МЕТЕО"
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2001-01-10

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: invention specifically refers to transceiving equipment for communication and radiolocation employed to track aerological radiosondes and meteorological rockets. Antenna system of meteorological locator has four- segment antenna array, small antenna array, two radiation-pattern forming circuits, transceiver and microprocessor. Each segment includes array of twelve radiators arranged in four rows and four stacks. Output of each segment is connected to proper input/output of first radiation-pattern forming circuit. Small antenna array has four identical radiators placed in center of four-segment antenna array. Output of each individual radiator is connected to proper input of second radiation-pattern-forming circuit. Inputs/outputs of both radiation-pattern forming circuits are connected to corresponding inputs/outputs of transceiver. Controlling outputs of microprocessor are connected to controlling inputs of radiation-pattern forming circuits and transceiver. Output of the latter is output of antenna system. EFFECT: increased efficiency and reliability of tracking of aerological radiosondes especially at low altitudes and with great angular velocities of travel and simultaneous reduction of expenditures for hardware. 5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в приемопередающей аппаратуре связи и радиолокации, в частности в антенных системах метеолокаторов для сопровождения аэрологических радиозондов (АРЗ) и метеоролических ракет. The invention relates to radio engineering and can be used in transceiver communications and radar equipment, in particular in antenna systems of weather radars for tracking aerological radiosondes (ARZ) and meteorological rockets.

Известны антенные системы, с параболическим отражателем (см. М.П. Долуханов "Антенны излучают", М. , Связь, 1973 г., стр. 71-74), наиболее распространенные в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн, в которых рефлектор представляет собой параболоид вращения, в фокусе которого помещен облучатель. Antenna systems with a parabolic reflector are known (see MP Dolukhanov “Antennas emit”, M., Communication, 1973, pp. 71-74), the most common in the ranges of decimeter and centimeter waves, in which the reflector is a paraboloid of revolution, in the focus of which an irradiator is placed.

Недостатки данных антенных систем следующие:
громоздкость; большая инерционность; строгие допуска на точность изготовления отражающей поверхности, отсюда высокие стоимость изготовления и общая стоимость конструкции, недостаточная точность сопровождения и определения угловых координат и дальности, особенно малоразмерных целей на малых дальностях.The disadvantages of these antenna systems are as follows:
bulkiness; great inertia; strict tolerances on the accuracy of manufacturing a reflective surface, hence the high cost of manufacture and the total cost of the structure, insufficient accuracy of tracking and determining angular coordinates and range, especially small targets at short ranges.

Известна антенная система метеолокатора (см. А.А. Ефимов "Принципы работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1" М., Гидрометеоиздат, 1989 г., стр. 6-7, рис. 1.1), в которой применяется круговое сканирование диаграммы направленности за счет вращения спирального излучателя в параболической антенне. The antenna system of the weather radar is known (see A.A. Efimov "Principles of Operation of the Aerological Information and Computing Complex AVK-1" M., Gidrometeoizdat, 1989, p. 6-7, Fig. 1.1), in which a circular scan of the diagram is used directivity due to the rotation of the helical emitter in a parabolic antenna.

Недостатком данной антенной системы, кроме применения параболического отражателя, являются: затенение раскрыва зеркала облучателем и элементами его крепления, что влияет на диаграмму направленности (ДН), вследствие чего на мощность принимаемых и излучаемых сигналов в направлении АРЗ; индивидуальная настойка каждой антенной системы, точное изготовление элементов спирального излучателя; ДН этой антенны в процессе работы постоянна и довольно узкая, поэтому при малой дальности происходит срыв автосопровождения АРЗ по угловым координатам. The disadvantage of this antenna system, in addition to the use of a parabolic reflector, is: shading of the aperture of the mirror by the irradiator and its mounting elements, which affects the radiation pattern (DN), as a result of which the power of the received and emitted signals in the direction of the ARZ; individual tincture of each antenna system, the exact manufacture of elements of a spiral emitter; The bottom of this antenna during operation is constant and rather narrow, therefore, at a short range, ARZ auto-tracking in angular coordinates is disrupted.

Также известные антенные системы с фазированными антенными решетками (ФАР), в которых возбуждение по апертуре можно менять, управляя параметрами отдельных элементов, в результате чего обеспечивается электронное сканирование ДН (см. "Справочник по радиолокации", редактор М. Сколник, М., Сов. Радио, 1977 г, стр. 135) - ПРОТОТИП. Also known are antenna systems with phased array antennas (PAR), in which the aperture excitation can be changed by controlling the parameters of individual elements, as a result of which an electron beam scanning is provided (see. "Radar Reference", editor M. Skolnik, M., Sov Radio, 1977, p. 135) - PROTOTYPE.

Данная корабельная РЛС имеет четыре раздельных антенных решетки (АР) для решения конкретных задач, но для обнаружения и сопровождения целей непосредственно над кораблем на малой дальности необходимо иметь пятую АР меньших размеров. Таким образом для обзора, обнаружения и сопровождения цели одновременно на малой и большой дальностях требуется дополнительная АР, что требует увеличения технического оборудования и материальных затрат. This naval radar has four separate antenna arrays (ARs) for solving specific tasks, but for detecting and tracking targets directly above the ship at short range, you need to have a fifth smaller AR. Thus, for the survey, detection and tracking of targets simultaneously at short and long ranges, additional AR is required, which requires an increase in technical equipment and material costs.

Также следует заметить, что современные метеоРЛС не могут сопровождать радиозонд по крайней малых высотах, порядка единиц метров, особенно когда радиозонд пролетает непосредственно на РЛС сразу после запуска вследствие узкой ДН. It should also be noted that modern weather radars cannot accompany a radiosonde at extremely low altitudes, on the order of units of meters, especially when a radiosonde flies directly to the radar immediately after launch due to a narrow beam.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности и надежности сопровождения АРЗ, особенно на малых высотах и при больших угловых скоростях перемещения АРЗ (20-30 ^o/с), при одновременном снижении аппаратурных затрат и, следовательно, стоимости.An object of the invention is to increase the efficiency and reliability of ARZ tracking, especially at low altitudes and at high angular velocities of moving ARZ (20-30 ^o / s), while reducing hardware costs and, consequently, cost.

Для решения поставленной задачи предлагается антенная система метеолокатора, содержащая четырехсегментную антенную решетку, малую антенную решетку, две диаграммообразующие схемы, приемопередатчик и микропроцессор, причем каждый сегмент содержит решетку из двенадцати излучателей, расположенных в четыре ряда и в четыре этажа, выход каждого сегмента соединен с соответствующим входом/выходом первой диаграммообразующей схемы, малая антенная решетка содержит четыре одиночных излучателя, расположенных в центре четырехсегментной антенной решетки, в выход каждого одиночного излучателя соединен с соответствующим входом второй диаграммообразующей схемы, входы/выходы обеих диаграммообразующих систем соединены с соответствующими входами/выходами приемопередатчика, управляющие выходы микропроцессора соединены с управляющими входами диаграммообразующих схем и приемопередатчика, выход последнего является выходом системы. To solve this problem, an antenna weather radar system is proposed, containing a four-segment antenna array, a small antenna array, two diagram-forming circuits, a transceiver and a microprocessor, each segment containing a grid of twelve emitters located in four rows and four floors, the output of each segment is connected to the corresponding the input / output of the first diagram-forming circuit, the small antenna array contains four single emitters located in the center of the four-segment antenna g of the lattice, the output of each single emitter is connected to the corresponding input of the second diagram-forming circuit, the inputs / outputs of both diagram-forming systems are connected to the corresponding inputs / outputs of the transceiver, the microprocessor control outputs are connected to the control inputs of the diagram-forming circuits and the transceiver, the output of the latter is the output of the system.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема антенной системы, на фиг. 2 - диаграммообразующей схемы, на фиг. 3 - приемопередатчика, на фиг. 4 - диаграммы направленности антенной системы, на фиг. 5 - частотная характеристика. In FIG. 1 is a structural electrical diagram of an antenna system; FIG. 2 is a diagram-forming circuit, in FIG. 3 - transceiver, in FIG. 4 - radiation patterns of the antenna system, in FIG. 5 - frequency response.

На электрических схемах изображено:
1-4- сегменты АР, 5 - малая антенная решетка (МАР), 6 и 7 - вторая и первая соответственно диаграммообразующие схемы, 8 - приемопередатчик, 9 - микропроцессор, 10 - 13 - фазовращатели, 14 и 15 - кольцевые делители мощности, 16 и 17 - СВЧ фильтры, 18 - ферритовый циркулятор, 19 - СВЧ передатчик, 20 и 21 - коммутаторы защиты, 22 - сумматор, 23 - малошумящий усилитель.The electrical diagrams show:
1-4 - segments of the AR, 5 - small antenna array (MAR), 6 and 7 - the second and first, respectively, diagram-forming circuits, 8 - transceiver, 9 - microprocessor, 10 - 13 - phase shifters, 14 and 15 - ring power dividers, 16 and 17 - microwave filters, 18 - ferrite circulator, 19 - microwave transmitter, 20 and 21 - protection switches, 22 - adder, 23 - low noise amplifier.

Излучатели антенных решеток 1-5 могут быть выполнены, например, в виде квадратных печатных излучателей с согласованным выходным сопротивлением 50 Ом (см. "Антенны и устройства СВЧ", под ред. Д.И. Воскресенского, М., "Радио и связь", 1994 г., стр. 166-168. МП 9 может быть применен типа 80C196KC, см. каталог фирмы Jntel "EMBEDDED MICROCONTROLLERS and PROCESSORS" volumel, 1993, 17-1. Фазовращатели 10-13 (из ДОС 6 и 7) могут быть выполнены, например, на pin-диодах, (см. "Справочник по радиолокации", М., Сов. радио, 1977 г., стр. 251-259). Кольцевые делители мощности 14 и 15 (также из ДРС 6 и 7) могут быть выполнены, например, по схеме кольцевых мостов (см. "Антенны и устройства СВЧ", под ред. Д.И. Воскресенского, М., "Радио и связь", 1994 г. , стр. 301, 302, 306). СВЧ - фильтры 16 и 17 могут быть выполнены, например, по схеме (см. Л.Г. Гассанов и др. "Твердотельные устройства СВЧ в технике связи", М., Радио и связь, 1988 г., стр. 51-64). Ферритовый циркулятор 18 может быть выполнен, например, по Y - обратной схеме (см. М.П. Долуханов "Антенны излучают", М., Связь, 1973 г., стр. 131-132). СВЧ - передатчик 19 может быть выполнен, например, на маломощном магнетроне (см. А.А. Ефимов "Принципы работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1", М., Гидрометеоиздат, 1989 г., стр. 19, 20). Коммутаторы защиты 20 и 21 могут быть выполнены по схеме (см. Л.Г. Гассанов и др. "Твердотельные устройства СВЧ в технике связи", М., Радио и связь, 1988 г., стр. 135-143). Сумматор 22 может быть выполнен по схеме (см. Л.Г. Гассанов и др. "Твердотельные устройства СВЧ в технике связи", М., Радио и связь, 1988 г. , стр. 68-71). Малошумящий усилитель 23 может быть выполнен по схеме (см. Л. Г. Гассанов и др. "Твердотельные устройства СВЧ в технике связи", М., Радио и связь, 1988 г., стр. 156-158). Emitters of antenna arrays 1-5 can be made, for example, in the form of square printed emitters with a coordinated output impedance of 50 Ohms (see "Antennas and microwave devices", edited by DI Voskresensky, M., "Radio and communication" , 1994, pp. 166-168. MP 9 can be used of type 80C196KC, see Jntel's catalog of EMBEDDED MICROCONTROLLERS and PROCESSORS volumel, 1993, 17-1. Phase shifters 10-13 (from DOS 6 and 7) can be performed, for example, on pin diodes, (see "Radar Reference", M., Sov. Radio, 1977, pp. 251-259). Ring power dividers 14 and 15 (also from DRS 6 and 7 ) can be performed, for example er, according to the scheme of ring bridges (see "Antennas and microwave devices", edited by DI Voskresensky, M., "Radio and communications, 1994, p. 301, 302, 306). Microwave filters 16 and 17 can be performed, for example, according to the scheme (see L. G. Gassanov et al. “Solid-state microwave devices in communication technology”, M., Radio and Communications, 1988, pp. 51-64). Ferrite the circulator 18 can be performed, for example, according to the Y - reverse circuit (see M.P. Dolukhanov "Antennas radiate", M., Communication, 1973, pp. 131-132). The microwave transmitter 19 can be performed, for example, on a low-power magnetron (see A.A. Efimov "Principles of operation of the aerological information and computer complex AVK-1", M., Gidrometeoizdat, 1989, p. 19, 20). Protection switches 20 and 21 can be made according to the scheme (see L. G. Gassanov and others. "Solid-state microwave devices in communication technology", M., Radio and communication, 1988, pp. 135-143). The adder 22 can be performed according to the scheme (see L. G. Gassanov and others. "Solid-state microwave devices in communication technology", M., Radio and communications, 1988, p. 68-71). Low-noise amplifier 23 can be made according to the scheme (see L. G. Gassanov et al. "Solid-state microwave devices in communication technology", M., Radio and communications, 1988, pp. 156-158).

Антенная система метеолокатора работает следующим образом. Рассмотрим на примере передачи, т.к. в силу "принципа обратимости" характеристики антенной системы остаются неизменными и в режиме приема. The antenna system of the weather radar works as follows. Consider the example of transmission, because due to the "principle of reversibility" the characteristics of the antenna system remain unchanged in the reception mode.

Т. к. метеолокаторах требуется обнаружение (пеленгация) и сопровождение цели (АРЗ), то применяется равносигнальный метод, для чего применяется сканирование электрическим способом, при котором перемещение ДН осуществляется за счет амплитудно-фазового распределения в раскрыве антенны электрическим путем, т.е. управление максимумом ДН осуществляется изменением сдвига фаз между токами соседних излучателей. В режиме передачи для обеспечения максимальной мощности облучения цели (АРЗ) подаются одинаковые сигналы на все четыре сегмента АР 1-4. Since meteorological radars require detection (direction finding) and target tracking (ARZ), the equal-signal method is used, for which scanning is used electrically, in which the movement of the beam is carried out due to the amplitude-phase distribution in the aperture of the antenna electrically, i.e. control of the maximum of the DN is carried out by changing the phase shift between the currents of adjacent emitters. In transmission mode, to ensure maximum target irradiation power (ARZ), the same signals are sent to all four segments of AR 1-4.

В данном метеолокаторе применены два режима работы: режим малой дальности до 1 км и основной режим свыше 1 км максимальной дальности полета АРЗ. При обоих режимах на передачу всегда работают сегменты АР 1-4, а на прием: при режиме малой дальности - только МАР5, а при основном режиме - АР 1-4 и МАР5. In this weather radar, two operating modes are used: the short-range mode up to 1 km and the main mode over 1 km of the maximum flight range of the ARZ. In both modes, the AP 1-4 segments always work for transmission, and for reception: in the short-range mode, only MAP5, and in the main mode, the AP 1-4 and MAP5.

Метеолокатор находится от места запуска АРЗ в нескольких десятках метров, и его антенна по азимуту и углу места юстирована на точку запуска. В этом режиме в МАР5 формируется широкая диаграмма направленности, что позволяет отслеживать АРЗ, даже летящей по ветру в сторону метеолокатора и пролетающей непосредственно над ним в единицах метров (см. ДН на фиг. 4б). The weather radar is several tens of meters from the launch site of the ARZ, and its antenna is aligned in azimuth and elevation to the launch point. In this mode, a wide radiation pattern is formed in MAP5, which allows tracking ARZ, even flying downwind towards the weather radar and flying directly above it in units of meters (see DN in Fig. 4b).

При работе антенно-фидерной системы метеолокатора на передачу СВЧ-сигнала передатчика 19 сигнал последнего через ферритовый циркулятор 18 и СВЧ-фильтр 16 поступает на кольцевые делители мощности 14 и 15, находящиеся в ДОС 7. С выходов указанных делителей мощности сигналы поступают на фазовращатели 10-13 (построенный по схеме "нагруженная линия"), которые имеют только два фиксированных положения: 0^o или 45^o, переключение которых происходит по управляющему сигналу МП9. При достижении наклонной дальности полета АРЗ 1 км заданной режим малой дальности заканчивается и происходит автоматическое переключение на основной режим, (переключение на схеме условно не показано), при котором на прием включаются все АР: 1-4 и МАР 5, при этом происходит суммирование мощности всех АР. ДН, формируемая при этом, имеет вид см. на фиг. 4а. ДН в ДОС 6 для МАР5 формируется так же как и в ДОС7, только фиксированный сдвиг фаз имеет значение 0-110^o, а фазовращатели 10-13 в ДОС 6 выполнены по мостовой схеме. Переключение фаз фазовращателей в сегментах 1-4 АР (соответственно и в МАР 5) для сканировании влево-вправо и вверх-вниз происходит согласно таблице.When the antenna-feeder weather radar system is operating to transmit the microwave signal of the transmitter 19, the signal of the latter through the ferrite circulator 18 and the microwave filter 16 is fed to the ring power dividers 14 and 15 located in the DOS 7. From the outputs of these power dividers, the signals are fed to the phase shifters 10- 13 (constructed according to the scheme "loaded line"), which have only two fixed positions: 0 ^o or 45 ^o , the switching of which occurs according to the control signal MP9. Upon reaching the inclined range of the ARZ flight of 1 km, the preset short-range mode ends and an automatic switch to the main mode occurs (switching on the diagram is not shown conditionally), at which all ARs are switched on for reception: 1-4 and MAP 5, and the power is summed up all ARs. The DN formed in this case has the form, see FIG. 4a. Day in DOS 6 for MAP5 is formed in the same way as in DOS7, only a fixed phase shift has a value of 0-110 ^o , and phase shifters 10-13 in DOS 6 are made according to the bridge circuit. Phase shifting of the phase shifters in segments 1-4 of the AR (respectively, and in MAP 5) for scanning left-right and up-down occurs according to the table.

Работа всей антенной системы синхронизирована с МП9 (синхросигнал), связи синхросигнала с элементами схемы условно не показано. The operation of the entire antenna system is synchronized with MP9 (clock signal), communication of the clock signal with circuit elements is not conventionally shown.

Применение данной антенной системы метеолокатора позволяет значительно повысить точность и динамику сопровождения, особенно на малых дальностях, при значительном снижении габаритно-массовых характеристик самой антенны, а следовательно, выполняется один из основных постулатов современной техники: "стоимость-эффективность". Так размеры предлагаемой ФАР в полтора раза меньше параболической антенны, а вес - в два раза меньше. Эффективность же заключается в том, что предлагаемый метеолокатор не теряет цель (АРЗ) при малых дальностях и, что особенно важно, при одновременном движении с большой угловой скоростью до 30 ^o/с. С учетом этой особенности данная антенная система может найти применение в РЛС для обнаружения, захвата и сопровождения быстродвижущихся малоразмерных целей на малых высотах, например крылатых ракет, беспилотных самолетов разведчиков над полем боя и для наведения зенитных ракет (на начальном участке).The use of this antenna system of the weather radar can significantly improve the accuracy and dynamics of tracking, especially at short ranges, with a significant decrease in the overall mass characteristics of the antenna itself, and therefore, one of the basic tenets of modern technology is true: "cost-effectiveness". So the size of the proposed PAR is one and a half times smaller than the parabolic antenna, and the weight is half as much. The effectiveness lies in the fact that the proposed weather radar does not lose its target (ARZ) at short ranges and, most importantly, while moving at a high angular speed of up to 30 ^o / s. With this in mind, this antenna system can be used in radars for detecting, capturing and tracking fast moving small targets at low altitudes, such as cruise missiles, unmanned aerial reconnaissance aircraft over the battlefield and for guiding anti-aircraft missiles (in the initial section).

Claims

The weather radar antenna system contains a four-segment antenna array, a small antenna array, two diagram-forming circuits, a transceiver and a microprocessor, each segment containing a grid of twelve emitters arranged in four rows and four floors, the output of each segment is connected to the corresponding input / output of the first diagram-forming circuit , the small antenna array contains four single radiators located in the center of the four-segment antenna array, and the output of each single radiator connected to the corresponding input of the second diagram-forming circuit, the inputs / outputs of both diagram-forming circuits are connected to the corresponding inputs / outputs of the transceiver, the microprocessor control outputs are connected to the control inputs of the diagram-forming circuits and the transceiver, the output of the latter is the output of the system.