Передающая система импульсной радиолокационной станции с фазированной антенной решеткой

Передающая система импульсной радиолокационной станции с фазированной антенной решеткой

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокации, в частности в приемопередающих устройствах малогабаритных импульсных радиолокационных станций (РЛС) кругового обзора малой и средней дальности действия с фазированными антенными решетками (ФАР).

Сверхвысокочастотные (СВЧ) передающие устройства для ФАР, в которых возбуждаются, формируются и усиливаются зондирующие импульсы, значительно сложнее, чем обычные радиопередатчики, в связи с тем, что в конструктивном отношении передатчики СВЧ усложнены в сравнении с передатчиками других диапазонов, т.к. активные приборы и колебательные системы генераторов СВЧ очень тесно сопрягаются друг с другом или представляют собой единое целое [1], а также в связи с большим числом излучающих элементов и каналов ФАР. Кроме того, полупроводниковые выходные каскады передающих устройств СВЧ в большинстве случаев работают в нелинейных режимах (с отсечкой тока), что усложняет синтез оптимальных структур передающих систем [2], особенно для твердотельных РЛС, обеспечивающих получение более высокой импульсной мощности, позволяющей использовать импульсы малой длительности с упрощением формирования и обработки зондирующих импульсов и более быстрым управлением лучами и формированием диаграммы направленности ФАР, но с повышением требований к надежности твердотельных передатчиков, обуславливающим повышение их стоимости и ухудшение весогабаритных показателей СВЧ-части передатчика [3]. Вместе с тем, перспективным является повышение мобильности и транспортируемости РЛС в сочетании с повышением ее эксплуатационной надежности [4].

Поэтому при проектировании импульсной РЛС с ФАР оптимизация передающей системы носит многоцелевой характер и включает обеспечение устойчивого рабочего режима передающей системы в сочетании с получением возможно большей выходной мощности, снимаемой с полупроводниковых приборов [5], в условиях повышенных эксплуатационных требований, таких как высокая мобильность РЛС в приемлемом диапазоне допустимых температурных и механических воздействий.

В информационных источниках известны такие средства достижения указанной оптимизации, как схема регулирования импульсной мощности на высокой частоте при раскачке усилителя мощности модулятором, к которому прикладывается регулирующее напряжение от стабилизатора напряжения, получающего управляющее напряжение с детектора, измеряющего выходной сигнал усилителя мощности, поступающий через радиочастотный монитор к антенне [6], схема стабилизации выходной мощности передатчика, основанная на регулировании тока питания предоконечного усилителя посредством элементов схемы, реализующей обратно-пропорциональную связь указанного тока с током питания выходного каскада [7], устройство защиты выходного каскада передатчика от напряжений, обусловленных неправильным согласованием антенны, с помощью двух активных полупроводниковых органов, первый из которых соединен непосредственно с выходом направленного ответвителя и управляет током, протекающим через второй орган, выход которого непосредственно соединен с управляющим органом каскада, предшествующего выходному каскаду, и таким образом запирает этот каскад [8], и устройство компенсации температурного отклонения рабочего режима усилителя мощности передатчика посредством дополнительной цепи усиления, образованной двумя транзисторами и выдающей напряжение поляризации третьего усилительного транзистора, регулируемое с помощью переменного резистора в эмиттере первого транзистора, который выдает на базу третьего транзистора напряжение, пропорциональное изменениям температуры [9].

Общими недостатками этих средств являются невысокая эффективность оптимизации передающей системы вследствие ее схемотехнического усложнения в аналоговом исполнении, в результате использования в ней указанных средств, а также вследствие сужения области ее применения, обусловленного невысокой функциональной эффективностью большинства из них и снижающего в итоге мобильность РЛС.

Известные радиолокационные передатчики, в конструкции которых активные узлы распределены по антенным элементам (см., например, источник информации - [10]) в случае оптимизации по массогабаритным показателям в РЛС для обнаружения целей с ФАР с уменьшенным количеством компонентов и конструктивным разнесением активных узлов на антенне [11], характеризуются недостаточно эффективным сочетанием характеристик: надежность передающей системы - мобильность РЛС.

С точки зрения сходства технической сущности в качестве прототипа заявляемой передающей системы выбрана передающая система импульсной РЛС с ФАР, включающая вторичные источники питания и получающее от них напряжение твердотельное микрополосковое устройство возбуждения, формирования и усиления зондирующих импульсов (УВФУЗИ), которое снабжено средствами улучшения его электрических характеристик, подключено к излучающим антенным элементам и размещено близко к ним, при этом структурное решение данной передающей системы позволяет избежать применения мощного возбудителя в результате построения канальных усилителей мощности, размещающихся на антенне [12] и имеющих модульное микрополосковое исполнение [13].

Основным недостатком передающей системы прототипа является громоздкость ее конструкции, понижающая ее надежность и мобильность РЛС.

Технический результат предлагаемого изобретения - обеспечение устойчивого рабочего режима передающей системы, позволяющей получить высокий коэффициент полезного действия усилителя импульсов при низких нелинейных искажениях и неуправляемых фазовых сдвигах в передающих каналах переносной РЛС кругового обзора с дальностью 50 км и более (в пределах 100 км) с повышенными характеристиками мобильности и транспортируемости РЛС в жестких эксплуатационных условиях механического и климатического воздействия за счет повышения надежности и уменьшения массогабаритных показателей передающей системы в результате снижения ее аппаратуронасыщенности и упрощения схемотехнического решения в сочетании с мерами по усилению конструкционной прочности.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной передающей системе импульсной РЛС с ФАР, содержащей вторичные источники питания и получающее от них напряжение твердотельное микрополосковое УВФУЗИ, которое снабжено средствами улучшения его электрических характеристик и подключено к излучающим антенным элементам, УВФУЗИ включает синхронизатор, своим первым выходом соединенный с синхрозадающим входом возбудителя, подключенного генерирующим выходом к входу формирователя зондирующих импульсов, подсоединенного основным выходом к входу многоканального делителя мощности, который своими выходами подключен к N усилительным каналам, выполненным каждый в виде первого балансного усилителя мощности (БУМ), своим основным входом соединенного с одним из выходов делителя мощности и выходом - с основным входом канального многоразрядного фазовращателя, и второго БУМ, своим основным входом соединенного с выходом канального фазовращателя, а также оконечного усилителя мощности (ОУМ), своим основным входом соединенного с выходом второго БУМ и выходом - через ферритовое развязывающее устройство с входом антенного коммутатора, на выходе которого установлен направленный ответвитель, а в качестве средств улучшения электрических характеристик УВФУЗИ в передающую систему введены общий импульсный модулятор (ИМ), первым многоканальным выходом соединенный с входом управления первого и второго БУМ, имеющих линейный режим работы, в каждом усилительном канале для коммутации мощности потребления, канальные ИМ, каждый из которых в усилительном канале своим выходом соединен с входом управления ОУМ для коммутации и регулирования мощности, и устройство амплитудно-фазовой коррекции (АФК) усилительных каналов, выполненное, для компенсации неуправляемых фазовых сдвигов импульсных сигналов, на основе блока управления передающей системой, своими двумя многоканальными выходами подключенного соответственно к входу управления каждого канального фазовращателя и к входу каждого канального ИМ и своим первым входом для обратной связи соединенного через приемный канал АФК с выходом многоканального сумматора, к входам которого подсоединены выходы направленных ответвителей, установленных на выходе антенных коммутаторов, при этом к второму входу блока управления передающей системой подключена, для задания импульсных характеристик генерирования и температурной коррекции рабочего режима передающей системы, система управления РЛС, содержащая блок памяти температурных поправок фазовых и амплитудных режимных параметров, например, в составе автономного пульта управления РЛС, выполненного с возможностью дистанционного выноса, блок управления передающей системой частотозадающим выходом подсоединен к входу управления возбудителя, а синхрозадающим выходом - к входу синхронизатора, имеющего второй выход, соединенный, для опережения по времени по отношению к генерированию зондирующих импульсов функционирования общего и канальных ИМ в режиме временной синхронизации коммутации мощности в первом и втором БУМ и ОУМ в усилительных каналах, с третьим входом блока управления передающей системой, который синхро- и амплитудозадающим выходом соединен, для указанной синхронизации, с входом общего ИМ, общий ИМ своим вторым многоканальным выходом соединен с входами управления антенных коммутаторов на выходе усилительных каналов, формирователь зондирующих импульсов подключен своим гетеродинным выходом к приемному каналу АФК, а ОУМ имеет балансное схемное исполнение с нелинейным режимом его работы.

В частном случае выполнения в заявляемой передающей системе возбудитель, формирователь зондирующих импульсов и общий ИМ группируются на одной, усилительные каналы с многоканальными делителем мощности на их входе и сумматором мощности на выходе направленных ответвителей группируются на второй крайних подложках, а блок управления передающей системой, приемный канал амплитудно-фазовой коррекции и синхронизатор группируются с двух сторон центральной подложки-полки, закрепленной между теплоотводящими продольными стенками корпуса, выполненными заодно с замкнутыми по их периметру поперечными стенками корпуса, снабженными средствами их герметичного скрепления между собой, при этом указанные подложки совмещены с несущими полками герметичного корпуса - единого контейнера РЛС с выполнением крайних из них в виде теплоотводящих продольных стенок корпуса и снабженных снаружи ребрами охлаждения-жесткости, причем вторичные источники питания размещены на крайних подложках - теплоотводящих продольных стенках корпуса с учетом баланса рассеяния тепла по две стороны корпуса, при этом прочность конструкции корпуса передающей системы усилена промежуточными втулками центрирования центральной подложки-полки относительно крайних подложек, совмещенными с монтажными элементами обеспечения межуровневой коммутации между подложками, а излучающие антенные элементы смонтированы снаружи корпуса.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемой передающей системы.

Передающая система импульсной РЛС с ФАР включает вторичные источники питания (ВИП) 1 и получающее от них напряжение твердотельное микрополосковое УВФУЗИ, причем ВИП 1 размещены на подложках 2 и 3 теплоотводящих продольных стенках корпуса - единого контейнера РЛС с учетом баланса рассеяния тепла по две стороны корпуса.

УВФУЗИ содержит синхронизатор 4, своим первым выходом соединенный с синхрозадающим входом возбудителя 5, подключенного генерирующим выходом к входу формирователя 6 зондирующих импульсов, подсоединенного основным выходом к входу многоканального делителя мощности 7, который своими выходами подключен к N, в данном примере равном пяти, усилительным каналам 8. Каждый усилительный канал 8 выполнен в виде первого балансного усилителя мощности (БУМ) 9, своим основным входом соединенного с одним из выходов делителя мощности 7 и выходом - с основным входом канального многоразрядного фазовращателя 10, и второго БУМ 11, своим основным входом соединенного с выходом канального фазовращателя 10, а также обеспечивающего выходную импульсную мощность 150 Вт оконечного усилителя мощности (ОУМ) 12, своим основным входом соединенного с выходом второго БУМ 11 и выходом - через ферритовое развязывающее устройство (ФРУ) с входом антенного коммутатора (АК) 13, на выходе которого установлен направленный ответвитель (НО).

В качестве средств улучшения электрических характеристик УВФУЗИ в схему передающей системы введены общий импульсный модулятор (ИМ) 14, первым многоканальным выходом соединенный с входом управления первого 9 и второго 11 БУМ, имеющих линейный режим работы, в каждом усилительном канале 8 для коммутации мощности потребления, канальные ИМ 15, каждый из которых в усилительном канале 8 своим выходом соединен с входом управления балансного ОУМ 12, имеющего нелинейный режим работы, для коммутации и регулирования мощности, и устройство АФК усилительных каналов 8, выполненное для компенсации неуправляемых фазовых сдвигов импульсных сигналов и совмещения схемы формирования диаграммы направленности ФАР с передающей системой, на основе блока управления передающей системой 16, своими двумя многоканальными выходами подключенного соответственно к входу управления каждого канального фазовращателя 10 и к входу каждого канального ИМ 15 и своим первым входом для обратной связи соединенного через приемный канал АФК 17 с выходом многоканального сумматора 18, к входам которого подсоединены выходы НО, установленных на выходе АК 13.

При этом к второму входу блока управления передающей системой 16 подключена, для задания импульсных характеристик генерирования и температурной коррекции рабочего режима передающей системы, система управления РЛС, содержащая блок памяти температурных поправок фазовых и амплитудных режимных параметров, например, в составе автономного пульта управления РЛС, выполненного с возможностью его дистанционного выноса (на схеме указанный блок памяти не показан).

Блок управления передающей системой 16 частотозадающим выходом подсоединен к входу управления возбудителя 5, синхронозадающим выходом - к входу синхронизатора 4, имеющего второй выход, соединенный, для опережения по времени по отношению к генерированию зондирующих импульсов функционирования общего 14 и канальных 15 ИМ в режиме временной синхронизации коммутации мощности в первом 9 и втором 11 БУМ и ОУМ 12 в усилительных каналах 8, с третьим входом блока управления передающей системой 16, который синхроамплитудозадающим выходом соединен, для указанной синхронизации и стабилизации уровня выходной мощности в БУМ 9 и 11, с входом общего ИМ 14.

Общий ИМ 14 своим вторым многоканальным выходом соединен для схемотехнического совмещения устройства управления ФАР с передающей системой с входами управления антенных коммутаторов 13 на выходе усилительных каналов 8, а формирователь 6 подключен своим гетеродинным выходом к приемному каналу АФК 17.

Блок управления передающей системой 16 может быть выполнен на основе программируемых логических интегральных схем. Пульт управления РЛС имеет возможность соединения с передающей системой посредством волоконно-оптического кабеля или радиосвязи.

Конструктивное исполнение передающей системы предусматривает оптимальное функционально-эксплуатационное группирование размещаемых ее гибридно-интегральных узлов, объединенных, в частности, в генераторную, цифровую и СВЧ усилительную составляющие части передающей системы. В данном примере выполнения гибридно-интегральные узлы передающей системы размещены на трех отдельных подложках, совмещенных с несущими полками герметичного корпуса - единого контейнера РЛС с выполнением крайних из них 2 и 3 в виде стенок корпуса и снабженных снаружи ребрами охлаждения - жесткости, и группированием возбудителя 5, формирователя 6 и общего ИМ 14 на одной 2 - и усилительных каналов 8 с многоканальным делителем мощности 7 на их входе и сумматором мощности 18 на выходе НО - на второй 3 крайних подложках-стенках корпуса и остальных функциональных блоков передающей системы - с двух сторон центральной подложки 19 - полки, закрепленной между продольными стенками, выполненными заодно с замкнутыми по их периметру поперечными стенками корпуса, снабженными средствами их герметичного скрепления между собой. При этом прочность конструкции корпуса передающей системы, совмещенного с единым контейнером РЛС, усилена промежуточными втулками центрирования полки-подложки 19 относительно стенок-подложек 2 и 3, совмещенными с монтажными элементами обеспечения межуровневой коммутации между сгруппированными гибридно-интегральными узлами на отдельных подложках, а излучающие антенные элементы смонтированы снаружи корпуса.

Передающая система работает циклически с периодическим излучением зондирующих импульсов следующим образом.

Синхронизатор 4 в результате поступления синхрозадающего сигнала из блока управления передающей системой 16 вырабатывает импульсную последовательность, которая управляет работой возбудителя 5. Пачка импульсов с возбудителя 5 переносится формирователем 6 на несущую частоту передающей системы после поступления частотозадающего сигнала из блока управления передающей системой 16 на вход управления возбудителя 5. При этом на втором выходе синхронизатора 4 одновременно присутствует опережающая по времени импульсная последовательность, которая через блок управления передающей системой 16 запускает общий ИМ 14 и канальные ИМ 15. На выходе из формирователя 6 пачка зондирующих импульсов делится на N каналов делителем мощности 7. В каждом усилительном канале 8 импульсы усиливаются по амплитуде первым БУМ 9 в линейном режиме, корректируются по фазе в фазовращателе 10 блоком управления передающей системой 16, образующим с приемным каналом АФК 17 и сумматором мощности 18 устройство АФК усилительных каналов 8, на которое поступают контролируемые импульсные сигналы, снимаемые с НО на выходе АК 13, после чего импульсы в усилительном канале 8 усиливаются вторым БУМ 11 в линейном режиме. Общий ИМ 14 при этом задает режим работы транзисторов в составе БУМ 9 и 11 путем импульсной модуляции, осуществляя коммутацию мощности потребления. Далее пачка зондирующих импульсов в каждом усилительном канале 8 усиливается ОУМ 12 в нелинейном режиме и поступает через АК 13 в антенно-фидерную систему. При этом канальным ИМ 15 осуществляется коллекторная модуляция ОУМ 12 и коррекционное амплитудное регулирование импульсов с помощью блока управления передающей системой 16 и устройства АФК усилительных каналов 8 в режиме временной синхронизации в БУМ 9 и 11 и ОУМ 12. Блок управления передающей системой 16, кроме того, производит управление ФАР: путем задаваемого системой управления РЛС посредством фазовращателей 10 канального распределения сдвига фазы зондирующих импульсов и формирования канальных амплитудных весов зондирующих импульсов, а также управления включением АК 13 с помощью общего ИМ 14.

При температурном изменении внешних эксплуатационных условий посредством системы управления РЛС, содержащей блок памяти температурных поправок фазовых и амплитудных режимных параметров, в передающей системе производится температурная коррекция рабочего режима БУМ 9 и 11 и ОУМ 12.

Предлагаемые особенности схемотехнического построения усилительных каналов 8, при котором канал начинается с БУМ 9 и между ним и БУМ 11 введен фазовращатель 10, позволяют обеспечить устойчивость динамического диапазона усиления зондирующих импульсов.

При этом схемотехническое решение передающей системы в целом в сочетании с мерами по усилению ее конструкционной прочности позволяет при дальности кругового обзора 50 км и более (в пределах 100 км) и импульсной мощности передающей системы 400-500 Вт в дециметровом и метровом диапазонах волн обеспечить устойчивый рабочий режим передающей системы с привлечением улучшенных полупроводниковых линейных балансных усилителей мощности [14] в качестве БУМ 9 и 11 и многокаскадных балансных усилителей в качестве ОУМ 12 в канальных усилительных каналах 8 в эксплуатационных условиях повышенной жесткости.

При этом снижение аппаратуронасыщенности позволяет при указанных параметрах РЛС кругового обзора выйти на массогабаритные показатели передающей системы до 8 кг и 500×400×35 мм, что подтверждает повышение мобильности и транспортируемости РЛС данного класса.

Список источников информации

1. Передающие устройства СВЧ. Под редакцией М.В.Вамберского. М.: Высшая школа, 1984 г., с.3.

2. Радиопередающие устройства. Под ред. О.А.Челнокова. М.: Радио и связь, 1982 г., с.6-7.

3. Анашкин А.А. Транзисторные РЛС второго поколения. М.: ЦНИИ Электроника, 1985 г., с.3-6.

4. Петьков А.А. Наземные обзорные РЛС ПВО.- Научно-технический сборник №5. Минск, "Издание Военной академии Республики Беларусь", 2000 г., с.58.

5. Широкополосные радиопередающие устройства (Радиочастотные тракты на полупроводниковых приборах). Под редакцией О.В.Алексеева. М.: Связь, 1978 г., с.270-271.

6. Патент США №3493867, Н 04 В 1/04, 1970 г.

7. Патент США №3644832, Н 04 В 1/04, Н 02 Н 7/20, Н 033/30, 1972 г.

8. Заявка ФРГ №1541504, Н 04 В 1/04, 1975 г.

9. Заявка Франции №2245125, H 03 F 1/30, Н 04 В 1/02, 1975 г.

10. Заявка Германии №19931928, G 01 S 7/03, 2001 г.

11. Заявка РСТ №24087, H 01 Q 21/08, 2000 г.

12. Радиопередающие устройства. Под редакцией Г.М.Уткина, М.В.Благовещенского. М. Радио и связь, 1982 г., с.337-338, рис.23.4.а.

13. Заявка ЕПВ №0246640, Н 01 Q 3/26, 21/00, G 01 S 7/02, Н 04 В 1/44, 1987 г.

14. Петров Г.В., Толстой А.И. Линейные балансные СВЧ-усилители. М.: Радио и связь, 1983 г., с.152-158, рис.8.8.6.

1. Передающая система импульсной радиолокационной станции (РЛС) с фазированной антенной решеткой (ФАР), содержащая вторичные источники питания и получающее от них напряжение твердотельное микрополосковое устройство возбуждения, формирования и усиления зондирующих импульсов (УВФУЗИ), которое снабжено средствами улучшения его электрических характеристик, при этом УВФУЗИ подключено к излучающим антенным элементам, отличающаяся тем, что УВФУЗИ включает синхронизатор, своим первым выходом соединенный с синхрозадающим входом возбудителя подключенного генерирующим выходом к входу формирователя зондирующих импульсов, подсоединенного основным выходом к входу многоканального делителя мощности, который своими выходами подключен к N усилительным каналам, выполненным каждый в виде первого балансного усилителя мощности (БУМ), своим основным входом соединенного с одним из выходов делителя мощности и выходом - с основным входом канального многоразрядного фазовращателя, и второго БУМ, своим основным входом соединенного с выходом канального фазовращателя, а также оконечного усилителя мощности (ОУМ), своим основным входом соединенного с выходом второго БУМ и выходом через ферритовое развязывающее устройство с входом антенного коммутатора, на выходе которого установлен направленный ответвитель, а в качестве средств улучшения электрических характеристик УВФУЗИ в передающую систему введены общий импульсный модулятор (ИМ), первым многоканальным выходом соединенный с входом управления первого и второго БУМ, имеющих линейный режим работы, в каждом усилительном канале для коммутации мощности потребления, канальные ИМ, каждый из которых в усилительном канале своим выходом соединен с входом управления ОУМ для коммутации и регулирования мощности, и устройство амплитудно-фазовой коррекции усилительных каналов, выполненное для компенсации неуправляемых фазовых сдвигов импульсных сигналов, на основе блока управления передающей системой, своими двумя многоканальными выходами подключенного, соответственно, к входу управления каждого канального фазовращателя и к входу каждого канального ИМ и своим первым входом для обратной связи соединенного через приемный канал амплитудно-фазовой коррекции с выходом многоканального сумматора, к входам которого подсоединены выходы направленных ответвителей, установленных на выходе антенных коммутаторов, при этом к второму входу блока управления передающей системой подключена, для задания импульсных характеристик генерирования и температурной коррекции рабочего режима передающей системы, система управления РЛС, содержащая блок памяти температурных поправок фазовых и амплитудных режимных параметров, например, в составе автономного пульта управления РЛС, выполненного с возможностью дистанционного выноса, блок управления передающей системой частотозадающим выходом подсоединен к входу управления возбудителя, а синхрозадающим выходом - к входу синхронизатора, имеющего второй выход, соединенный для опережения по времени по отношению к генерированию зондирующих импульсов функционирования общего и канальных ИМ в режиме временной синхронизации коммутации мощности в первом и втором БУМ и ОУМ в усилительных каналах с третьим входом блока управления передающей системой, который синхро- и амплитудозадающим выходом соединен для указанной синхронизации с входом общего ИМ, общий ИМ своим вторым многоканальным выходом соединен с входами управления антенных коммутаторов на выходе усилительных каналов, формирователь зондирующих импульсов подключен своим гетеродинным выходом к приемному каналу амплитудно-фазовой коррекции, а ОУМ имеет балансное схемное исполнение с нелинейным режимом его работы.

2. Передающая система по п.1, отличающаяся тем, что возбудитель, формирователь и общий ИМ группируются на одной, усилительные каналы с многоканальными делителем мощности на их входе и сумматором мощности на выходе направленных ответвителей группируются на второй крайних подложках, а блок управления передающей системой, приемный канал амплитудно-фазовой коррекции и синхронизатор группируются с двух сторон центральной подложки-полки, закрепленной между теплоотводящими продольными стенками корпуса, выполненными заодно с замкнутыми по их периметру поперечными стенками корпуса, снабженными средствами их герметичного скрепления между собой, при этом указанные подложки совмещены с несущими полками герметичного корпуса - единого контейнера РЛС с выполнением крайних из них в виде теплоотводящих продольных стенок корпуса и снабженных снаружи ребрами охлаждения-жесткости, причем вторичные источники питания размещены на крайних подложках - теплоотводящих продольных стенках корпуса с учетом баланса рассеяния тепла по две стороны корпуса, при этом прочность конструкции корпуса передающей системы усилена промежуточными втулками центрирования центральной подложки-полки относительно крайних подложек, совмещенными с монтажными элементами обеспечения межуровневой коммутации между подложками, при этом излучающие антенные элементы смонтированы снаружи корпуса.