Файл: Радиотехнические системы в ракетной технике..pdf

снижения мощности от среднеквадратическон ошибки фазирования для 32-элементной адаптивной решетки приведена на рис. 7.13. Одна из модификаций переизлучающей решетки Ван-Атта пред­ ставляет собой плоскую систему излучателей, симметрично распо­ ложенных относительно центра. Диаметрально противоположные пары элементов решетки, находящиеся на одинаковом расстоянии от центра, связаны между собой высокочастотными трактами рав­ ной электрической длины, в которых установлены идентичные ВЧ усилители. Схема соединения центрального элемента № 1 решетки

о ф(град)

Рис. 7.13. Зависимость относительной величины снижения мощности от среднеквадратической ошибки фазирования

с произвольной парой диаметрально противоположных № п№ п + 3 и последних между собой приведена на рис. 7.14. Когда элемент номер п работает на прием, элемент номер п + 3 — на передачу и наоборот.

Для наделения переизлучаемых сигналов помеховой модуляцией к решетке Ван-Атта добавляется специальный приемник (элемент № 1), который идентифицирует сигналы РЛС, выбирает объект для радиопротиводействия и управляет модулятором помех. Недоста­ ток структурной схемы, представленной на рис. 7.14, состоит в том, что из-за недостаточной развязки в циркуляторах, наличия отра­ жений от излучателей и отражений, обусловленных неточностью изготовления линий передачи, она не обеспечивает стабильной ра­ боты, если коэффициент усиления каждого ВЧ усилителя превы­ шает 10 дб.

Переизлучающая решетка Ван-Атта фактически работает как ретранслятор.

Адаптивные антенные решетки в отличие от переизлучающих решеток позволяют фазировать сигналы помех любого типа как ретрансляционные, так и сигналы собственного генератора станции

помех. Адаптивная решетка представляет собой систему с устрой­ ствами фазовой автоподстройки элементов решетки, позволяющими регулировать фазы вдоль раскрыва антенны в соответствии с фа­

зами принятых сигналов.

Рис. 7.14. Ретранслятор помех с переизлучающей решеткой Ван-Атта:

а — размещение элементов решетки (сопряженные пары: 2—5, 3—6, 4—7, 8—И, 9—12, 10—13, 14—17, 15—18, 16—19, 20—23, 21—24, 22—25, 26—29, 27—30, 28—31);

6 — структурная схема передатчика

На рис. 7.15 приведена структурная схема передатчика помех с адаптивной фазированной антенной решеткой. Сигнал промежу­ точной частоты, усиленный в твердотельных усилителях, затем умножается до частоты входного сигнала.

Станция помех с адаптивной решеткой имеет два режима ра­ боты: режим приема, при котором происходит настройка фазы в каждом элементе решетки, и режим передачи.

276

(Ненаправленная антенна НО

ю

^3 Рис. 7.15. Структурная схема передатчика помех с адаптивной ФЛР

В первом из них радиолокационный сигнал принимается каж­ дым элементом решетки, а также всенаправленной антенной, обра­ зующей вместе с приемником канал опорного сигнала. После фильтрации, обработки и анализа сигналов, принятых всенаправ­ ленной антенной, образуется опорный сигнал для самонастраиваю­ щейся цепи фазирования каждого элемента антенны. Структурная схема типового элемента решетки показана в правой части рис. 7.15.

Система подстройки фазы работает следующим образом. На вход приемно-передающей антенны элемента решетки поступает входной сигнал, который через замкнутые переключатели П4 и П3 подается на фазовращатель, вносящий дополнительный произволь­ ный сдвиг фазы, и далее через замкнутый переключатель П2 на фа­ зовый детектор.

На другой вход фазового детектора поступает опорный сигнал. С выхода фазового детектора снимается напряжение, пропорцио­ нальное разности фаз двух входных сигналов. Посредством об­ ратной связи этот сигнал воздействует на фазовращатель, который в идеальном случае обеспечивает выполнение условия самофазировки. Это значит, что фазовращатель настраивается так, чтобы его фаза была равна сумме постоянной фазы и фазы принятого сигнала с обратным знаком. Постоянное слагаемое фазы интереса не представляет, поскольку для каждого элемента оно будет оди­ наковым. После соответствующего сопряжения фаз во всех элемен­ тах решетки станция помех при помощи переключателей П[ и Г12 переводится в режим излучения помех. Шумовая помеха форми­ руется путем модуляции напряжением источника шума генератора, настраиваемого на частоту входного сигнала.

Ретрансляционные помехи формируются путем задержки высо­ кочастотных сигналов в электрически управляемой линии задерж­ ки и сдвига допплеровской частоты твердотельным частотным модулятором. Частотная модуляция помеховых сигналов произ­ водится в схеме на pin-диодах. Сигнал помехи поступает через на­ правленный ответвитель (НО) на решетку, содержащую 32 элемен­ та. В фазовращателе каждого элемента решетки сигнал помехи приобретает соответствующий сдвиг фазы и поступает на усилитель (40 дб), который через переключатели П3 и П4 подключается к ан­ тенному элементу. В результате пространственного суммирования сигналов всех элементов формируется узкий помеховый луч в на­ правлении на подавляемый радиолокатор.

Структурная схема комбинированной адаптивной и переизлучающей решетки изображена на рис. 7.16. Она объединяет достоин­ ства, присущие обеим рассмотренным схемам. Адаптивная решетка позволяет создавать различные виды помех последовательно во времени, переизлучающая же антенна Ван-Атта создает только ретрансляционные помехи.

При совмещении решеток учитывается необходимость создания помех РЛС с горизонтальной, вертикальной и наклонной (от 60° До 120°) линейной поляризацией. В комбинированной системе

278

I

Разведприемник

Анализатор

спектра

Логическое

устройство

Программа помеховой. модуляции

Модулятор

помех

В системе используются два типа антенных элементов.

Первый тип представляет собой пару взаимно перпендикуляр­ ных диполей, размещенных на расстоянии от О,IX до 0,25Х, второй тип — четырехэлементную спиральную антенну. Антенные элементы образуют решетку с круговой симметрией, причем диаметрально противоположные антенные элементы связаны между собой через входы В каждого элемента так же, как элементы № п и № п+ 3 на рис. 7.14. Выход А каждого антенного элемента соединен с фа­ зосдвигающим устройством аналогично схеме адаптивной решетки (рис. 7.15).

Обнаруженный и отселектированный приемником сигнал по­ ступает к самофазирующейся решетке как опорный. Программи­ рующее и модулирующее устройства наделяют необходимой поме­ ховой модуляцией излучаемые сигналы решеток обоих типов.

7.6. Влияние плазмообразований на работу бортовых антенн

Ионизированный слой воздуха (так называемая пристеночная плазма), образующийся вокруг аппарата, входящего в плотные слои атмосферы с гиперзвуковой скоростью, за счет нагрева возду­ ха ударной волной и ионизации продуктов уноса теплозащитного покрытия, оказывает существенное влияние на работу бортовых ан­ тенн. В первую очередь ослабляется электромагнитная энергия. Ослабление сигнала определяется концентрацией свободных элек­ тронов Ne и эффективной частотой соударений vc. Указанные пара­ метры плазмы зависят от многих факторов, в том числе от скоро­ сти полета, плотности атмосферы (высоты), угла падения, геоме­ трии носовой части аппарата, места установки бортовых антенн и других причин. Помимо затухания при распространении электро­ магнитной энергии через слой плазмы искажается диаграмма на­ правленности и ухудшается коэффициент стоячей волны антенны. При этом уровень сигнала резко снижается при углах падения луча, превышающих критический, который определяется коэффи­ циентом преломления на границе раздела воздух — плазма.

Как показали эксперименты, наличие плазмы ведет к рассогла­ сованию приемопередающих антенн станций радиопомех с окру­ жающей средой, что является серьезным препятствием для созда­ ния активных помех на участке атмосферного спуска.

На рис. 7.17 приводятся диаграммы направленности щелевой антенны, заполненной тефлоном, в свободном пространстве и при наличии плазмы. Искажение диаграммы направленности увеличи­ вается с ростом отношения максимальной плотности электронов в плазме NMaKc к ее критическому значению.

Для снижения экранирующего действия ионизированной оболоч­ ки при входе баллистических и космических объектов в плотные

280

слои атмосферы, по мнению американских специалистов, возможен ряд конструктивных мер, основными из которых являются:

—впрыскивание в ионизированную оболочку различных приса­ док, снижающих степень ионизации (пары цезия, натрия и т. п.); ■— применение сильного статического магнитного поля, создаю­

щего «окно» в плазме для электромагнитной энергии;

—СВЧ-нагрев электронов ионизированной оболочки, в резуль­ тате чего электроны присоединяются к находящимся в ней моле­ кулам и атомам кислорода, образуя отрицательные ионы;

Угол падения луча Ф, град

Рис. 7.17. Диаграмма направленности щелевой антенны, заполненной тефлоном

—• использование электронного пучка и самой плазмы в каче­ стве передающих антенн станций радиопомех.

Впрыскивание в пристеночную плазму деионизирующих ве­ ществ до настоящего времени не дало обнадеживающих результа­ тов. Последнее объясняется отсутствием веществ, создающих ча­ стицы с энергией, соизмеримой с энергией электронов (что связано со значительными расходами вещества деионизатора).

Специалисты фирмы «Халликрафтерз» в настоящее время раз­ рабатывают метод снижения затухания радиоволн в плазме путем создания статического магнитного поля вокруг антенны головной части МБР. По заявлению специалистов фирмы, наличие статиче­ ского поля напряженностью 500 э уже достаточно для заметного снижения затухания радиоволн. Образование более сильных маг­ нитных полей с напряженностью свыше 1000 э может быть достиг­ нуто лишь с помощью сверхпроводящих электромагнитов с приме­ нением криогенной техники. На стадии первоначальных экспери­ ментов изучалось прохождение через плазму плоской волны, т. е. в случае, когда плазменный экран находится в дальней зоне пере­

281

дающей антенны. Если же плазменный экран находится в ближней зоне, то нужно учитывать воздействие плазмы на поле передающей антенны, поскольку изменение ближнего поля существенно влияет на поле излучения.

Способ снижения экранирующего действия плазмы путем СВЧнагрева электронов ионизированной оболочки исследуется специа­ листами Кембриджской научно-исследовательской лаборатории. Указанный способ демонстрировался во время лабораторных испы­ таний. Было отмечено, что образование отрицательных ионов мо­

жет интенсифицироваться вводом в ионизированную оболочку хи­ мических веществ.

Эксперименты по использованию горячей плазмы в качестве антенн начались в США в 1963 г. Было установлено, что для устра­ нения плазменного эффекта следует применять селективное возбу­ ждение плазмы электромагнитной энергией. Импедансы возбуж­ дающего элемента и плазмы, естественно, должны быть согласо­ ваны. В этом случае плазменный «столб», будет вести себя как ди­ электрический моновибратор с низкой, но конечной проводимостью (диапазон от единиц мо/см до единиц мо/км) и приемлемыми ха­ рактеристиками апертуры приемно-передающей антенны. Отноше­ ние излучаемой энергии к энергии возбуждения будет зависеть от размера плазменного «столба» (наилучшее соотношение в долях длины волны излучения составляет 0,57), а также от проводимости плазмы и ее диэлектрических констант. Принципиальной трудно­ стью при исполнении этого способа является трудность подведения электромагнитного поля к плазменному экрану. Технология насы­ щения плазмы химическими элементами для увеличения ее прово­ димости без повышения температуры была разработана в процессе проведения экспериментов (например, регулированием химического состава абляционных покрытий корпуса головной части).

С одной стороны, плазменные антенны чрезвычайно широкодиапазонны, с другой — характеризуются большими потерями: их к. п. д. значительно ниже, чем у проектируемых для этих же целей металлических антенн.

Для оценки прохождения электромагнитных волн через плазму чаще всего используют такие характеристики, как:

— проводимость плазмы

[7.23]

— эффективный диэлектрический коэффициент плазмы, опреде­ ляемый при ео=1 выражением

[7.24]

282