Радиотехнические системы

51

В таблице 1.3, заимствованной из [9], приведены сведе- ния о радиочастотах, используемых в основных видах РТС.

Таблица 1.3. Использование спектра радиочастот в РТС

1.9. Дальность действиярадиосистем всвободном пространстве

Дальность действия является одной из важнейших харак-

52

теристик радиосистем различного назначения. Под дальностью действия понимают максимальное расстояние R = Rmax , при ко- тором радиосистема выполняет свои функции с заданными ха- рактеристиками качества.

Найдем дальность действия радиосистем различного на- значения в свободном пространстве, то есть в пространстве сво- бодном от чего бы то ни было. В любом случае максимальная дальность определяется минимальным сигналом на входе при- емника, при котором удовлетворяются ТТТ. Минимально необ-

ходимая мощность сигнала на входе приемника PПР.MIN зависит

от мощности собственного шума приемника PШ , приведенно- го ко входу, и необходимого превышения сигнала над ним.

Находим PПР (R) = PПР.MIN и определяем R = RMAX , решая данное уравнение.

Дальность действия радиолинии связи

Радиолиния связи состоит из передатчика и приемника радиосигналов, разнесенных на расстояние R .

Обозначим мощность излучаемого сигнала PИ , излучаю-

щую антенну будем характеризовать коэффициентом усиления GИ , GИ = КПД ×КНД . Положим КПД = 1. На рисунке 1.16 по-

казана идеализированная диаграмма направленности переда- ющей антенны: вся излучаемая энергия равномерно распреде- лена в основном лепестке, боковые лепестки отсутствуют. Ко- эффициент усиления антенны показывает, во сколько раз энер- гия, сосредоточенная в основном лепестке, больше, чем при

изотропном излучении

GИ = 4Qπ

где Θ - телесный угол диаграммы.

53

Θα

Θβ

ИСТОЧНИК СИГНАЛА

Рисунок 1.16. Идеализированная диаграмма направленности передаю-

щей антенны

Обозначим ширину луча в ортогональных плоскостях

Qα , Qβ . Если Qα и Qβ - малы, Q = Qα ×Qβ .

Плотность потока мощности, создаваемого излучаемым сигналом в месте расположения приемной антенны на рассто- янии R от передающей

Мощность сигнала на выходе приемной антенны

PПР = П1 × SА = PИ GИ SА

4π R2

где SА - эффективная приемная площадь приемной антенны.

Приравнивая PПР = PПР.MIN из последнего соотношения

получаем

Дальность действия радиолинии с активным ответом

54

Радиолиния с активным ответом состоит из двух линий связи: линии запроса и линии ответа. Типичным примером та- кой радиолинии является радиолокатор с активным ответом, структурная схема которого приведена на рисунке 1.12. Для каж-

дой из линий можно найти дальность действия по формуле (1.20), присваивая параметрам, относящимся к запросу и отве- ту, соответствующие индексы.

Результирующая дальность действия системы определя- ется радиолинией с меньшей дальностью действия. В сбалан-

сированной системе RЗ.MAX = RОТВ.MAX .

Дальность действия активной РЛС

Рассмотрим дальность действия активной РЛС, работаю- щей по пассивной цели. Структурная схема такой РЛС пред- ставлена на рисунке 1.11. Пусть по-прежнему мощность излу-

чаемая передатчиком РЛС будет PИ , а коэффициент усиления

его антенны GИ . Тогда плотность потока мощности электро- магнитной энергии, создаваемая локатором у цели, находящей- ся на расстоянии R , определяется формулой (1.21).

П1 = PИ GИ

4π R2

Найдём мощность сигнала, отражённого от цели PОТР . Вве-

дём для этого понятие об эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) цели. Под ЭПР понимают поперечное сечение такой цели, которая, рассеивая сигналы во все стороны равномерно, созда- ёт у локатора такую же плотность потока мощности, как и ре- альная цель.

PОТР = П1σЭ ,

55

где σЭ - ЭПР цели.

Обозначим, П2 - плотность потока мощности у локатора,

Полученная формула носит название основного уравнения ра- диолокации. Уравнение получено без всяких допущений и оп- ределяет дальность действия радиолокатора в свободном про- странстве.

Проанализируем полученное уравнение. Положим PПР.MIN = kP PШ ,

где PШ - мощность шума, приведённая ко входу приёмника; kP - коэффициент различимости. kP показывает, во сколь-

ко раз минимальная мощность входного сигнала PПР.MIN должна

быть больше мощности собственного шума приемника PШ для

выполнения ТТТ.

Мощность собственного шума приемника, приведенного

ко входу определим по формуле

PШ = kШ ×k ×T ×Df ,

где kШ - коэффициент шума приемника;

56

k - постоянная Больцмана;

T - температура приемника в градусах Кельвина; f - полоса пропускания приемника.

Подставляя приведенные формулы в уравнение (1.22) по-

Формула (1.23) указывает пути увеличения дальности дей- ствия РЛС. Один из них - увеличение мощности передатчика.

Этот путь мало эффективен, так как для увеличения RMAX в два

раза. Нужно мощность передатчика увеличить в 24 = 16 раз. Предельные мощности современных приборов СВЧ -

50÷100 МВт. Физический предел увеличения мощности - про- бой воздуха в волноводах и других частях антенно-фидерного тракта.

Другой путь увеличения RMAX - увеличение чувствитель-

ности приёмника, что достигается уменьшением его коэффици- ента шума, рабочей температуры, потерь сигнала в антенно-фи- дерном тракте. Коэффициент шума современных малошумящих

усилителей составляет 0,2 ÷ 2 дБ в диапазоне ГГц при температуре 25 oC .

Рассмотрим влияние на дальность действия антенной си- стемы РЛС. Будем считать, что на прием и передачу работают одинаковые антенны. Это предположение строго выполняется в импульсных РЛС, когда прием и передача разделены по вре- мени и выполняются одной антенной. Свяжем коэффициент усиления антенны и её эффективную приемную площадь. Пред- положим, что используется антенна с прямоугольным раскры-

вом размерами a × b , как показано на рисунке 1.17. Ширина диаграммы направленности такой антенны определяется фор-

мулами

где коэффициенты k1 и k2 зависят от закона распределения элек- тромагнитного поля по апертуре.

где SA = S ×kИ , kИ < 1 - коэффициент использования площа- ди антенны.

G = 4Qπ = 4πλS2 A .

Следовательно, основное уравнение радиолокации в за- висимости от параметров антенны можно представить различ- ными способами. Оставим в нем эффективную приемную пло- щадь антенны, выразив через неё коэффициент усиления. По- лучим,

нальна корню второй степени от SА , а не четвёртой, что суще-

ственно. Увеличение размеров антенны - действенный способ повышения дальности действия РЛС, используемый на прак- тике.

При фиксированной эффективной площади антенны даль- ность действия RMAX обратно пропорциональна λ . Но это

только в свободном пространстве. В реальном случае нужно учи- тывать затухание радиоволн на трассе распространения, кото- рое тем больше, чем короче волна. Cуществует оптимальная в энергетическом отношении длина волны.

Если предположить, что приемное устройство РЛС согла- совано по полосе с сигналом, то есть

PИτИ - энергия сигнала. Таким образом, дальность действия про- порциональна корню четвертой степени из энергии сигнала.

59

2. РАССЕИВАЮЩИЕСВОЙСТВАРАДИОЛОКАЦИОННЫХ ЦЕЛЕЙ

2.1. Определения и классификация

Характер вторичного излучения объектов радиолокаци- онного наблюдения (радиолокационных целей) зависит от их формы, размеров, электрических свойств, а также от длины вол- ны и поляризации падающего поля.

Явления вторичного излучения принято разделять на

-зеркальное отражение;

-диффузионное рассеяние;

-резонансное переизлучение.

Зеркальное отражение имеет место когда поверхность цели относительно гладкая, а её размеры намного больше длины вол- ны. В этом случае соблюдается закон зеркального отражения - угол падения равен углу отражения. Принято считать, что это

ти. При h < 16 фазовые сдвиги между составляющими вто- ричного поля, отраженными от различных участков поверхно- сти, не превосходят 45 градусов, так что отраженную волну можно в первом приближении считать плоской. Поверхность земли при обзоре с самолёта в диапазоне метровых волн во мно- гих случаях можно считать зеркально отражающей.

Диффузионное рассеяние характеризуется тем, что пада- ющая на объект волна рассеивается во все стороны равномер- но. Диффузное рассеяние имеет место, когда размеры объекта наблюдения много больше длины волны, а размеры неровнос- тей сравнимы с длиной волны (земля, лес, взволнованная по- верхность моря для сантиметрового диапазона).

Резонансное переизлучение имеет место, когда цель со- держит элементы, размеры которых кратны половине длины

60

волны. В этом случае при определенной ориентации указан-

ных элементов относительно вектора поляризации падающего электромагнитного поля наблюдается интенсивное вторичное излучение, создающее сильный радиолокационный сигнал. При- мер - полуволновые диполи, используемые для создания пас- сивных помех (фольга, металлизированное стекловолокно).

Независимо от вида вторичного переизлучения все цели характеризуются эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР) σЭ . По определению

где П1 - плотность потока мощности, создаваемого локато-

ром у цели, П2 - плотность потока мощности, отраженного сиг-

нала у локатора.

ЭПР цели может сильно отличаться от ее геометричес- ких размеров. Например, ЭПР полуволнового диполя, распо- ложенного в плоскости падения волны, рассчитывается по фор-

муле σЭ = 0,86λ 2 .

По конфигурации цели делятся на элементарные и слож- ные. Элементарные цели имеют простую геометрическую фор- му, так что можно рассчитать ЭПР.

Сложные цели имеют сложную форму; так что ЭПР рас- считать сложно или невозможно. Реальные радиолокацион- ные цели, как правило, сложные.

Кроме того, цели могут быть точечными и распределён- ными:

Точечными называют цели, геометрические размеры ко- торых меньше элемента разрешения РЛС.

Распределёнными называют цели, геометрические разме- ры которых больше элемента разрешения РЛС. Цели могут быть поверхностно распределёнными (например, поверхность зем- ли при ее наблюдении с борта самолета) или объёмно распре- делёнными (например, облако).