Антенны, используемые для радиолокации ионосферы (стр. 2 )

Перед проведением измерений производится калибровка всего приемно-регистри-рующего тракта. Для этого ко входу приемника подключается измерительный генератор, и через аттенюатор подаются импульсы длительностью, равной длительности зондирующего сигнала. Уровень входного сигнала изменяется в диапазоне 30…110 дБ ступенчато, с шагом 10 дБ. Полученная таким образом калибровочная кривая используется в дальнейшем при обработке измерений.

Определение параметров эллиптически поляризованной волны при излучении «западный зенит» осуществляется в следующем порядке:

1.  Последовательно производится регистрация принятого сигнала в соответствии со схемой ориентации антенн приведенной на рис. 9.5.

2.  С помощью калибровочной кривой путем соответствующей интерполяции получаем набор напряжений U1, U2…., U6.

Затем определяем:

коэффициенты и ;

первый параметр Стокса частично поляризованной волны

;

второй параметр

;

третий параметр

;

четвертый параметр

;

первый параметр Стокса полностью поляризованной волны

;

степень поляризации волны

;

коэффициент эллиптичности

;

угол ориентации поляризационного эллипса

.

Для того чтобы использовать приведенный выше алгоритм для излучений «северный зенит», необходимо напряжениям, получаемым согласно схеме ориентации антенн, приведенной на рис. 9.5, присвоить новые номера: U1=U3; U2=U4; U3=U1; U4=U2; U5=U6; U6=U5.

По приведенному алгоритму исследуются параметры эллиптически поляризованной волны для всех исследуемых высот.

В соответствии с изложенной методикой был поставлен эксперимент по выявлению высотной поляризационной структуры принимаемого сигнала [18]. Все измерения проводились в ночное время суток в отдельные дни 1987г. (3, 16, 17, 25 ноября) для исключения
возможного влияния индустриальных помех и помех связных радиостанций. Высотное разрешение во всех представленных измерениях составляло 450 м. Направление излучения и приема для всех представленных поляризационных измерений осуществлялось в зенит. Для анализа поляризационных свойств принятого сигнала необходимо осуществить шесть регистраций, но, так как используется одноканальное приемное устройство, приходится применять последовательный режим измерений, который по времени занимает 20 мин. Установлено, что для большинства исследуемых высот во время проведения измерений, поляризационные параметры сигнала не претерпевают существенных изменений.

Рис. 9. 6

  На рис. 9.6–9.9 в качестве примера представлены энергетические профили, получаемые с помощью приемной антенны СТ РЛС ХИРЭ. На рис. 9.6 показаны энергетические профили, получаемые для двух режимов согласованного приема «запад–запад» и «север–север»,

Рис. 9. 7

  которые наглядно демонстрируют зависимость уровня принимаемого сигнала от положения начальной ориентации электрического вектора поля. Отличие в уровне принимаемой мощности на некоторых высотах достигает 20 дБ.

На рис. 9.7, 9.8 сопоставляются профили принятой мощности согласованных режимов

приема и им ортогональных. Отмечается, что уровень мощности ортогональной составляющей «запад–север» меньше уровня мощности в режиме «запад–запад» почти для всего
исследуемого высотного диапазона за исключением областей высот 3 и 8 км, где они примерно равны. Уровень мощности согласованной ортогональной поляризации при режиме «север–запад»для многих высот превышает уровень мощности согласованного приема «север–север». На рис. 9.9 показано изменение уровня принимаемой мощности в режиме «запад–запад», которое произошло за 1 ч 30 мин. В районе высоты 3 км уровень принимаемой мощности остался без изменений, а для области высот 3,5…4,5 км изменения достигали уровня 15 дБ.

Рис. 9.10

 

Рис. 9.10

  Высотная зависимость поляризационной структуры принятого сигнала [19], которая приведена на рис. 9.10, была определена для двух циклов измерений: «западный зенит» и «северный зенит» (измерено 3 ноября 1987 г.). В целом наблюдаемая волна эллиптически поляризована и имеет как левое, так и правое направления вращения вектора электрического поля, которое отмечено стрелками, показанными на эллипсах. Соотношение осей эллипса соответствует коэффициенту эллип-тичности, модуль которого изменяется от 0 до 1. Для наблюдаемых высот ориентация главной оси эллипса принятого сигнала группируется относительно направления ориентации вектора электрического поля излучаемой волны.

На рис. 9.11, 9.12 представлены гистограммы коэффициента
эллиптичности и угла отклонения главной оси эллипса для всех циклов проведенных измерений. Можно считать, что для 60 % обработанных сигналов коэффициент эллиптичности заключен в интервале , а угол ориентации главной оси эллипса занимает сектор углов bэ=0…10°.

9.2.2. Антенна модернизированного измерительного комплекса СТ РЛС

В процессе эксплуатации СТ РЛС проводилась доработка аппаратуры с целью увеличения энергетического потенциала действующей станции СТ РЛС. В 1997 г. увеличение энергетического потенциала РЛС ВЗ было достигнуто введением в строй новой антенной системы [20]. Кроме того, эта антенна имеет по 8 независимых лучей ДН в двух ортогональных плоскостях. Имеется возможность соответствующей коммутацией отдельных элементов фидерной системы осуществить несколько видов амплитудных распределений в апертуре антенны.

Антенна представляет собой ФАР квадратной апертуры размером 60,8х60,8 м2 , внешний вид ее приведен на рис. 9.13.

Всего в состав антенны входит 256 трехэлементных волновых каналов. Четыре волновых канала, объединенных с помощью соединительных фидеров и согласующих устройств, образуют излучатель антенной решетки. Вся антенна состоит из восьми рядов по восемь излучателей в каждом.

Входное КСВ излучателей для полосы частот f = 57,3±0,5 МГц не превышает величины равной 1,2. Создание необходимого амплитудно-фазового распределения (АФР) в раскрыве антенны осуществляется фидерной системой по параллельной схеме. В качестве диаграммообразующей схемы используется восьмиэлементная матрица Батлера [21], основным элементом которой являются 3 дБ мостовые устройства, выполненные из
радиочастотного кабеля. На рис. 9.14 представлена одна из матриц Батлера. Последняя имеет панель, на которой можно набрать необходимую комбинацию используемых лучей. Кроме того, каждая матрица имеет дополнительно три квадратных моста, с
помощью которых можно осуществить, кроме равномерного распределения поля в апертуре антенны, распределение поля по закону косинуса и косинуса в квадрате. Распределение поля в апертуре антенны по закону косинуса может быть получено сложением двух смежных лучей. При этом максимум ДН оказывается в точке, где пересекаются два этих луча. Это распределение приводит к снижению коэффициента направленного действия (КНД) на 0,92 дБ относительно условия равномерного распределения поля в апертуре. При этом ширина ДН по нулям в полтора раза превышает ширину ДН антенны относительно случая равномерного распределения поля, а уровень первого бокового лепестка ДН с –13 дБ уменьшается до –23 дБ. Объединив три смежных луча, можно получить возбуждение апертуры по закону косинуса в квадрате. Это позволяет обеспечить уровень первого бокового лепестка –32,4 дБ, но при этом КНД снижается на 3,5 дБ, а ДН антенны еще больше расширяется.

При заданном расстоянии между излучателями d=7,6 м матрица Батлера позволяет формировать 8 независимых лучей, пространственная ориентация которых приведена в табл. 9.2.

Таблица 9.2

Номер луча

Угол отклонения от зенита, град

Без фиксированных

фазовращателей

С фиксированными

фазовращателями

4 л

-17,54

-14,97

3 л

-12,43

-9,92

2 л

-7,42

-4,94

1 л

-2,47

0

1 п

2,47

4,94

2 п

7,42

9,89

3 п

12,43

14,90

4 п

17,54

20,00

Каждая линейка излучателей имеет свою матрицу Батлера, выходы которой подсоединены к соответствующим излучателям линейки. Входы соответствующего пространственного луча каждой матрицы подключены к 9-й матрице, которая позволяет осуществлять сканирование в ортогональной плоскости.

Для экспериментального
измерения параметров системы были использованы радиоастрономические методы [22, 23].
Измерения проводились по радиоисточникам Кассиопея А и Лебедь А в июле-августе 1997 г. Для точного ориентирования ДН антенны на радиоисточники были использованы фазирующие устройства. Типичная регистрация прохождения радиоисточника
Кассиопея А через ДН и калибровочная кривая приведены на
рис. 9.15.

Проведенный цикл измерений (более 30 сеансов по 500 мин каждый) позволил оценить площадь эффективной апертуры антенны – 2600 м2. Ширина ДН в сечении запад–восток по
результатам измерений составила примерно 4,4° при расчетном значении 5°.

9.2.3. Антенна измерительного комплекса для исследования

пограничного слоя атмосферы

Для исследования процессов, происходящих в пограничном слое атмосферы, была разработана РЛС ВЗ на частоте f=912 МГц [24]. На рис. 9.16 приведен внешний вид антенн, используемых в данном комплексе, которые расположены на крыше шестиэтажного здания. На первом этапе в этом диапазоне использовались два усеченных параболоида с фокусным

расстоянием 2 м. Приемная антенна имела размеры апертуры 2,45х7,62 м2 и была снабжена электромеханическим приводом. Привод управления положением антенны обеспечивал ряд фиксированных положений ДН: вертикальное и наклонное относительно зенита на 15° по всем сторонам света с точностью порядка 0,1°…0,2° по углу места и 1°…2° по азимуту. Передающая антенна была неподвижной
с размером апертуры 3,04 х 4,8 м2, и ее ДН была ориентирована в зенит.

Поскольку антенны являются высечками из параболоида вращения, то для их оптимального возбуждения использование простых излучателей, таких как вибратор или открытый конец волновода, не представляется возможным, поэтому для возбуждения зеркал приемной и передающей антенн были рассчитаны и изготовлены пирамидальные рупоры.

Для приемной антенны раскрыв рупора в Н и Е плоскостях имеет размер 640х175 мм2, а для передающей – соответственно 540х370 мм2. Возбуждающие рупоры закреплены к параболическим зеркалам с помощью четырех опор. Пирамидальные рупоры возбуждались волноводом стандартного сечения 247,65х123,8 мм2. Отрезок волновода длиной 390 мм с одной стороны заканчивается пирамидальным рупором, с другой – короткозамыкателем с возможностью дискретного изменения расстояния относительно Т-образного волноводно-коаксиального перехода. Для дополнительного согласования предусмотрено два подстроечных штыря в широкой стенке волновода, разнесенных на расстояние l/4. Связь облучателя с передающим устройством осуществляется радиочастотным кабелем марки РК с потерями на частоте f=912 МГц, равными a=0,11 дБ×м-1 , и специально разработанным жестким коаксиальным фидером, состоящим из труб диаметром 55 и 20 мм (Zc=52 Ом).

В состав данного измерительного комплекса входит антенный переключатель, который позволяет использовать одну из данных антенн в режиме передача–прием. Антенный переключатель балансного типа выполнен на базе трехплоскостной (симметричной) полосковой линии с воздушным заполнением. В качестве нелинейных элементов в переключателе используется четыре пары p-i-n диодов типа 2А507А. Для компенсации неоднородностей, возникающих в месте включения диодов, используются коаксиальные металлические изоляторы, длина которых подбиралась экспериментально. Развязка приемника относительно передатчика составила 73,9 дБ при потерях в режиме передачи 0,3 дБ. Потери в режиме приема составляют 1,35 дБ.

Для измерения параметров антенны с апертурой 2,45х7,62 м2 было использовано радиоизлучение Солнца. Прохождение Солнца через ДН антенны в плоскости Н 4 мая 1993 г. дало приращение температуры Tmax=895 K при фоновом значении Тф=105 К, при этом ширина ДН на уровне половинной мощности составила 8°18¢. Согласно измерениям ДН антенны в Е плоскости, проведенным 30 апреля 1993 г., максимальное значение температуры составило Tmax=1000 K при фоновом значении Тф=80 К. Ширина ДН на уровне половинной мощности составила 2°45¢. Солнце представляет собой наиболее интенсивный из наблюдаемых на Земле внеземных источников радиоизлучения, хотя его излучение сложно по своему составу, но при среднем значении плотности потока мощности
излучения «спокойного Солнца», равном Sср=(4,88…5,17)×10-21 Вт×м-2×Гц-1, можно ожидать, что усиление составит G=670…709.

Поскольку расположение антенн на высоте 20 м от уровня земли и использование усеченных параболоидов явилось не оптимальным решением с точки зрения обеспечения минимального приема сигналов помех, то в радиолокационном комплексе РЛС ВЗ были использованы три параболические антенны диаметром 4 м с фокусным расстоянием 1146 мм, которые были размещены на территории полевой лаборатории ХНУРЭ. Внешний вид антенн приведен на рис. 9.17.

Один из параболоидов ориентирован в зенит, а апертура двух других позволяет формировать отклоненный от зенита на 15° главный лепесток ДН к востоку и северу. В качестве облучателя в этих антеннах используется вибратор с дисковым рефлектором, которым заканчивается жесткая коаксиальная линия, проходящая по главной оси симметрии параболоида.

Апертура этих антенн имеет минимальное боковое излучение, поскольку зеркала этих антенн предназначались для использования в трехсантиметровом диапазоне длин волн, кроме того:

– облучатель практически находится в плоскости апертуры антенны;

– отсутствуют дополнительные узлы крепления облучателя;

– зеркало не имеет перфорации.

Развязка между двумя установленными рядом антеннами превысила уровень 120 дБ.

9.2.4. Антенна измерительного комплекса для исследования тропосферы

При разработке аппаратуры РЛС ВЗ на частоту f = 490 МГц использовались два усеченных параболоида с раскрывом 2,45х7,62 м2 и 3,04х7,62 м2 [25]. Апертуры обеих антенн были ориентированы в зенит, а облучатели были смещены в фокальной плоскости для обеспечения отклонения луча ДН от зенита, равного 10°. Облучатель каждого параболоида состоял из двух синфазных полуволновых вибраторов с рефлектором. Расстояние между вибраторами в передающей и приемной системах было выбрано таким образом, чтобы в
Е-плоскости обеспечивался 10 дБ спад мощности. В дальнейшей работе РЛС ВЗ на частоте f=490 МГц использовались две осесимметричные параболические антенны с отражающей сетчатой поверхностью диаметром D=5,5 м и фокусным расстоянием F=2,2 м. Внешний вид антенны приведен в работе [14].

Для данного радиолокатора был разработан балансный антенный переключатель на полосковых линиях. В качестве переключающих элементов используются p-i-n диоды типа 2А520А. Управляющий ток на p-i-n диоды подается через полуволновые отрезки линий, длина которых выбирается из условия компенсации паразитных реактивностей.

Развязка передатчика с приемником составила 65 дБ, КСВ в режиме приема и передачи не превышало величины 1,5. Потери в режиме передачи составили 0,2 дБ, а в режиме приема 1,2 дБ.

С точки зрения исполнения мобильного варианта РЛС ВЗ предпочтение следует отдать дециметровому диапазону, хотя здесь есть трудности электромагнитной совместимости с телевизионным диапазоном.

9.3. Антенны, используемые для радиолокации метеоров

В диапазоне частот 22…60 МГц отражение радиоволн от ионизированных метеорных следов имеет научное и прикладное значение. В этом диапазоне нашли применение различные типы антенн: полуволновые вибраторы, турникетные излучатели, волновые каналы, ромбические антенны, антенные решетки из биконических вибраторов, заключенные в уголковый отражатель, антенные решетки из волновых каналов, устанавливаемые как на мачтах, так и на земной поверхности.

Радиолокационная цель, каковой является ионизированный метеорный след, находится на высоте 80–105 км от уровня Земли. Эта цель имеет пространственную ориентацию, определяемую координатами радианта метеора. Отражательная способность метеорного следа зависит от многих факторов: массы метеорной частицы, скорости входа в атмосферу и т. д.

Типы антенных устройств, используемых при работе с сигналами отраженными от ионизированных метеорных следов, определяются поставленными задачами. Основные назначения антенн – это получение максимального соотношения сигнал/шум на входе приемного устройства с целью измерения амплитуды, фазы и поляризации отраженного сигнала за время существования следа.

В отраженном сигнале содержится информация как о параметрах самой метеорной частицы – её массе и орбите, так и о динамическом состоянии атмосферы на тех высотах, где произошла ионизация метеорного следа.

Для исследования отражений от ионизированных метеорных устройств в каждом конкретном случае использовались различные антенные устройства в зависимости от конкретной решаемой задачи. Это измерение численности метеорных отражений, координат радиантов и скоростей индивидуальных метеоров, измерение ветра в верхней атмосфере, передача и обмен информации за счет отражений от ионизированного метеорного следа.

Измерение численности метеоров в период МГГ в Харькове в 1957–1966 гг. проводилось на длине волны 8 и 4 м [26]. Передатчик на волне l=4 м работал по схеме автогенератора с длительностью импульса 10 мкс и мощностью в импульсе около 100 КВт. Выход передатчика l=8 м и мощностью 75 КВт, при помощи которого проводилось большинство измерений, нагружался на антенну типа волновой канал. Коэффициент стоячей волны в фидере был меньше 1,5. В период МГГ применялись три варианта передающих и приемных антенн.

С декабря 1957 до августа 1958 г. передача велась при помощи пятиэлементной антенны типа волновой канал, а прием – на полуволновой вибратор.

С сентября 1958 до марта 1960 г. излучение производилось при помощи восьмиэлементной антенны типа волновой канал, а прием – на полуволновой вибратор.

С апреля 1960 г. прием и передача производились на пятиэлементную антенну типа волновой канал.

Анализ зарегистрированных отражений показал, что в первый период наблюдений на l=8 м наблюдались метеоры ярче примерно 6m, 5 звездной величины (при скорости движения метеорных тел около 40 км×с-1), во второй период наблюдения велись до +7,5…8m,0, а в последующий период +9m,0.

Измерения радиантов индивидуальных метеоров в Харьковском политехническом институте начались в 1959 г. Ориентация ионизированного следа в пространстве определялась методом разнесенного приема радиоволн, отражаемых формирующимся метеорным следом в трех точках. При пролете метеорного тела через точку зеркального отражения на формирующемся метеорном следе начинается дифракция радиоволн, которая записывается в виде амплитудно-временной характеристики. Запись амплитудно-временных характеристик на основном пункте и двух выносных, находящихся на расстоянии 4,5 и 7 км, позволяет определить временной сдвиг между моментами прохождения метеорного тела через точки зеркального отражения. Информация, полученная на выносных пунктах, передавалась на основной с помощью УКВ ретрансляторов. В состав ретранслятора входили два трехэлементных волновых канала, которые устанавливались на мачтах высотой h=10…15 м. При этом одновременно измерялась скорость метеора. В качестве передающей антенны использовалась пятиэлементная антенна типа волновой канал. Антенна имела возможность свободно поворачиваться по азимуту. Все три приемных пункта были оборудованы такими же антеннами.

Измерение ветров в верхней атмосфере по радионаблюдениям метеорных следов в период МГГ проводилось импульсно-когерентным методом. Большинство метеорных следов на l=8…10 м дают отражения длительностью в десятые доли секунды. Скорость ветра на изучаемых высотах – несколько десятков метров в секунду. При наблюдении следа в течение 0,2–0,4 с при скорости ветра 20…30 м×с-1 возможны перемещения в наблюдаемом направлении на 4…12 м. Такие перемещения могут быть легко определены по фазово-временным характеристикам.

При исследовании ветра применяются, как правило, антенны типа волновой канал.

Для определения горизонтальной составляющей скорости, помимо радиального значения, необходимо знать угол места. Этот же угол при известной дальности определяет высоту нахождения отражающей области метеорного следа. Определение угла, или местоположения следа, можно произвести различными методами. В течение МГГ применялся метод, использующий различие в вертикальной плоскости диаграмм направленности (ДН) двух приемных антенн. Для однозначности результата и упрощения градуировки и проверки применяются обычно простые антенны – горизонтальные вибраторы или вибраторы с рефлектором, поднятые над Землей на четверть и половину длины волны. Антенны рекомендуется помещать над металлической сеткой, ячейки которой рассчитываются из условия создания эффекта полной металлизации Земли. Размеры сетки должны превышать размеры первой зоны
Френеля для углов места, под которыми измеряются отражения от метеорных следов.

Стремление упростить аппаратуру для измерения ветров приводит обычно к тому, что азимутальное положение регистрируемого метеорного следа не определяется. При использовании достаточно направленных антенн считается, что азимут цели примерно совпадает с азимутом основного лепестка ДН. В метровом диапазоне наибольшее применение находят антенны типа волновой канал. Если применяется одиночный волновой канал, то число
элементов берется 3…5. Больше пяти элементов обычно не берут из-за больших габаритов антенн. Коэффициент направленного действия (КНД) используемых одиночных волновых каналов равен примерно 10…15. Большая ошибка в определении значения зональной или меридиональной компонент скорости ветра из-за ширины ДН (пятиэлементный волновой канал в горизонтальной плоскости на уровне –3 дБ имеет ширину лепестка 50°) требует применения более направленных антенн. Обычно это система синфазных горизонтальных
волновых каналов, смонтированных на поворотном основании.

В измерениях дрейфа играет существенную роль КНД, отсутствие больших боковых лепестков и большого заднего лепестка ДН.

Одним из методов уменьшения уровня боковых лепестков является питание антенной
решетки по методу Дольфа–Чебышева. Для волны l=8…9 м было создано две антенные решетки по 8 элементов каждая [27], из них одна работала на излучение, а вторая на прием. Излучателями являлись пятиэлементные волновые каналы с расстоянием между ними около одной длины волны, которые располагались на несущих металлических фермах, что позволяло ориентировать главный лепесток ДН антенной решетки в любом требуемом азимуте.

Экспериментальная проверка ДН проводилась с помощью шара-зонда, закрепляемого на длинных нитях над поверхностью Земли. К шару-зонду прикреплялся импульсный кварцованный передатчик, имеющий те же частотные и спектральные данные, что и основной передатчик. Перемещая в разные точки пространства зонд и фиксируя его положение оптическими инструментами, снимают ДН антенны. Расчетная ширина ДН восьмиэлементной решетки составляла 7°, что и было подтверждено практическими результатами.

Дальнейшим развитием аппаратных средств для исследования отражений от ионизированных метеорных следов с массами на два порядка меньше, изучавшихся ранее наземными методами по программам МГГ, МГС и МГСС, стали разработка и создание более современных радиотехнических устройств.

9.3.1. Метеорная автоматическая радиолокационная станция

Анализ работы ранее разработанных устройств, а также анализ физических процессов, происходящих при рассеянии радиоволны метеорными следами, показал целесообразность выбора следующих технических данных для новой станции [28]:

– диапазон частот – 22-23 МГц;

– импульсная мощность – не менее 1.5 МВт;

– длительность импульса – 30 мкс (первый режим) и 100 мкс (второй режим);

– частота повторения импульсов – 400 имп×с-1 в первом режиме и 100 во втором, причём в первом используются две последовательности импульсов: основная с частотой 300 имп×с-1 и кодирующая с частотой 100 имп×с-1,которая задержана относительно основной на 333 мкс.

Такая станция была разработана и создана в ХПИ и получила название МАРС (метеорная автоматическая радиолокационная станция) [28, 29].

В комплексе МАРС используются отдельные приемная и передающая антенны [30]. Обе антенны однотипны и представляют собой линейную решетку, состоящую из биконических вибраторов с низким волновым сопротивлением, равным 250 Ом, помещенную в уголковый отражатель с углом раскрыва 60°. Передающая антенна показана на рис. 9.18. Линейная решетка передающей антенны
содержит 18 вибраторов, а приемная – 20. Распределение вибраторов в решетке неэквидистантное, что позволяет уменьшить уровень первых боковых лепестков ниже –20 дБ. Длина передающей антенной решетки по центрам крайних вибраторов 162 м, а приемной – 182 м. Уголковый отражатель образуется двумя проволочными сетками, установленными под углами 15° и 75° к горизонту. Ширина каждого полотна 27 м. Сетка отражателя образуется горизонтально натянутыми стальными оцинкованными проволоками диаметром 1,6 мм. Шаг сетки 0,1 м в участках, противолежащих вибраторам, и увеличивается к краю полотна. Горизонтальные проволоки припаяны к несущим стальным проволокам диаметром 4 мм, установленным с интервалом 5 м, которые являются основой конструкции полотна. Вертикальное полотно поддерживается тросом-вантом. Вант переброшен через блоки, установленные на вершинах 32-метровых мачт. Концы ванта растянуты грузами-противовесами, которые перемещаются внутри 12-метров
ых мачт на противоположных концах сооружения. Таким образом, при гололеде полотно может несколько опускаться, не перегружая вант. Вторая плоскость уголкового отражателя образуется таким же полотном. Внешний край полотна поддерживается рядом опор высотой 7 м. В передающей антенне рядом расположенные вибраторы соединены попарно-симметричными воздушными фидерами с волновым сопротивлением 240 Ом. Середины этих фидеров соединяются со 120-омным симметричным фидером, выполненным из двух кабелей марки РКГ-15. Согласование вибраторов с воздушными фидерами осуществляется при помощи сосредоточенных реактивных элементов.

В приемной антенне середины соединительных воздушных фидеров при помощи согласующих устройств, основой которых являются ферритовые кольца, соединяются с 75-омными коаксиальными кабелями.

Расчетная ширина ДН в плоскости Е на уровне 3 дБ равна 4,5°, а в плоскости Н – около 30°.

Антенны были экспериментально изучены с помощью самолета, на котором размещался маломощный импульсный передатчик [31]. Координаты самолёта определялись специальной радиолокационной станцией сопровождения, передавались с помощью сельсинов в приёмный пункт и автоматически регистрировались на кинопленке вместе с амплитудой сигналов. Экспериментально полученные параметры антенн близки к расчетным. Ширина ДН в горизонтальной плоскости около 4°30¢, в вертикальной 30°. Коэффициенты усиления передающей и приемной антенн 244 и 260 соответственно.

В качестве приемных антенн в вынесенных пунктах применялись двойные горизонтальные ромбы с коэффициентом усиления G=30. Для ретрансляции сигналов использовались пятиэлементные антенны типа волновой канал.

Для детального изучения метеорных явлений и уточнения их связи с параметрами атмосферы необходимо знать высоту зеркально отражающей точки метеорного следа с достаточно высокой точностью. Точности измерения высот зеркальных точек, получаемые с помощью аппаратуры, описанной в работе [26], не удовлетворяли. Поэтому для этих целей был изготовлен фазовый высотомер, работающий в импульсном режиме [32]. В антенную систему которого входило пять трехэлементных волновых каналов, коэффициент направленного действия с учетом влияния земной поверхности КНД=8. Ширина главного лепестка ДН в горизонтальной плоскости на уровне –3 дБ составляла 60°. Высота подвеса антенн относительно земной поверхности – 0,4l. Калибровка высотомера проводилась с помощью высоколетящего самолета, который облучался передатчиком МАРС, а отраженный сигнал регистрировался фазовым высотомером [33]. Одновременно координаты самолета определялись стандартной РЛС сопровождения с погрешностями sR=20 м; se, q=0,1°.

При разработке антенных устройств метеорных радиолокаторов, которые рассчитаны на прием радиоволн, отраженных от ионизированных метеорных следов, а также при анализе результатов с использованием уже созданных антенных устройств необходимо знать влияние формы ДН антенны и ее ориентацию на получаемые результаты. Угло-местное распределение численности метеорных отражений было исследовано с помощью описанного выше фазового угломера, в котором излучение и прием осуществляется на турникетные излучатели (рис. 9.19).

Результаты обработки 1273 отражений от метеорных следов показали, что наиболее выгодно ориентировать ДН под углом 25…50° [34].

Антенны комплекса МАРС ориентированы таким образом, что излучение радиоволн происходит в восточном направлении. Ввиду большой излучаемой мощности передающего устройства и подчас необычных атмосферных условий распространения радиоволн, происходило сверхдальнее распространение, которое создавало помехи судовым средствам связи, находящимся в Атлантическом океане. В целях создания благоприятных условий для электромагнитной совместимости радиолокационный комплекс МАРС [35] был перестроен на частоту 31,1 МГц. Это повлекло за собой переделку линейки излучателей передающей антенны МАРС. Размеры неэквидистантной линейки излучателей, размеры излучателей и положение линейки в уголковом отражателе были изменены пропорционально изменению длины волны.

Использование двух типов передающих антенн: синфазной линейки неэквидистантных вибраторов в уголковом отражателе и турникетного излучателя, а также автоматического угломера из пяти пятиэлементных волновых каналов позволило определить скорость метеора, угловые координаты и высоту отражающей точки метеорного следа с погрешностью высоты, не превышающей 1 км [36].

Для регистрации численности метеорных отражений 13m,0 звездной величины необходима приемная антенна с КНД ³ 350. В соответствии с этим требованием была разработана линейная антенная решетка из 16 пятиэлементных волновых каналов [37], внешний вид которой представлен на рис. 9.20. Размещение излучателей в решетке принято эквидистантным с шагом 9 м. Излучающие элементы, с помощью металлических опор располагаются на высоте l/2 от земной поверхности. Земная поверхность спланирована таким образом, чтобы уклон был около 9°. Это позволило получить максимум излучения ДН антенной решетки под углом около 40° относительно горизонта. Расчетное значение КНД волнового канала на частоте 31,1 МГц составило 11,8 дБ. Система питания антенны имеет «елочную» структуру. Полоса антенны по уровню КСВ=1,5 составляет
3,5 МГц.

Расчетная ширина главного лепестка ДН в азимутальной и угломестной плоскостях – 3°,4 и 30° соответственно. Для наиболее распространенных амплитудных распределений КНД может быть записан как

,

где В – угловая площадь луча, кв. град.

Тогда для 16-элементной антенной решетки получим КНД=дБ). Эту величину можно принять за среднее значение. Верхний предел усиления антенной решетки можно представить как сумму направленных свойств отдельных излучателей с учетом идеальных отражающих свойств подстилающей земной поверхности. Максимальное значение КНД при этом достигает КНДмах=,81 дБ). Для оценки нижней границы КНД воспользуемся измерениями, проведенными на модели с коэффициентом подобия, равным примерно 17. Согласно данной оценке КНДmin=,56 дБ).

Дальнейший этап модернизации комплекса МАРС заключался в замене неэквидистантной антенной решетки, заключенной в уголковый отражатель, которая использовалась как передающая антенна на синфазную антенную решетку из 18 пятиэлементных волновых каналов с параллельной системой питания.

Использование в антенной системе фазового угломера турникетных излучателей позволило определить требования, предъявляемые к форме и ориентации ДН антенны на численность регистрации отражений от ионизированных метеорных следов [34]. Основной рабочий комплект антенн (5 штук) фазового угломера состоит из пятиэлементных волновых каналов. Внешний вид одной из антенн приведен на рис. 9.21. Каждая антенна фазового угломера соединяется с входными цепями приемного устройства фидером из кабеля марки РК75-9-13 длиной > 100 м. Для минимизации фазовых ошибок, возникающих из-за температурной нестабильности кабелей, последние проходят на глубине полуметра от уровня земной поверхности