CC BY
698
УДК 621.396.67
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ АНТЕНН, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КОМПЛЕКСАХ РАДИОМОНИТОРИНГА
И РАДИОПЕЛЕНГАЦИИ
А.В. Ашихмин, В.А. Козьмин, А.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский
Проведен анализ современного состояния антенных устройств и систем, использующихся в стационарных и мобильных комплексах радиопеленгации, производимых фирмами, являющимися мировыми лидерами в данной области - Rohde&Schwarz (Германия) и TCI (США). Проанализированы преимущества и недостатки серийно выпускаемых радиопеленгаторных антенных систем и определены перспективные направления их развития, исходя из имеющихся практических потребностей
Ключевые слова: радиопеленгация, антенная система, пеленг
В работе проанализировано современное состояние технических идей в сфере создания антенн для стационарных и мобильных комплексов радиопеленгации, а также их конструкторской и технологической реализации на примерах серийно выпускаемых антенных устройств и систем мировыми лидерами в данной области - фирмами Rohde&Schwarz (Германия) и TCI (США) [1, 2].
Актуальность проведения настоящего анализа связана с тем, что имеют место следующие тенденции развития теории, техники и технологии производства радиопеленгаторных антенн:
- расширение частотного диапазона функционирования стационарных и мобильных комплексов радиопеленгации, требующее разработки антенных элементов, обладающих стабильными направленными свойствами в сверхширокой полосе частот с коэффициентом перекрытия до 104 и более;
- расширение динамического диапазона функционирования аппаратуры радиопеленгации, требующее совершенствования характеристик активных антенных элементов, а также разработки радиопеленгаторных антенных систем, состоящих из направленных сверхшироко-полосных элементов;
- повышение требований к точности измерения угловых координат источников радиоизлучения, требующее создания математического и программного обеспечения стационарных и
Ашихмин Александр Владимирович - ВФ ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), д-р техн. наук, тел. (4732) 39-23-00 Козьмин Владимир Алексеевич - ВФ ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), канд. техн. наук, доцент, тел. (495) 615-73-02 Негробов Александр Владимирович - ВГТУ, аспирант, тел. (905) 050-19-87
Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 23-12-46.
Рембовский Юрий Анатольевич - ВФ ЗАО «ИРКОС»
(г. Москва), канд. физ.-мат. наук, тел. (495) 615-73-02
мобильных аппаратно-программных комплексов радиопеленгации, позволяющих компенсировать систематические погрешности пеленгования, вызванные рассеянием принимаемых электромагнитных волн произвольной поляризации на антенной системе, опорной мачте, корпусе мобильного носителя и других близлежащих предметах;
- расширение зоны углового обзора стационарных и мобильных комплексов радиопеленгации, требующее создания антенных систем, позволяющих осуществлять поиск и измерение параметров источников радиоизлучения не только лежащих в близи к азимутальной плоскости, но и приближенных к зенитному направлению;
- повышение разрешающей способности радиопеленгаторов по угловым координатам, что требует разработки антенных систем, способных формировать достаточно узкий главный лепесток диаграммы направленности в рабочем диапазоне частот, а также совершенствования методов и алгоритмов обработки принимаемых сигналов, в частности - методов и алгоритмов сверхразрешения источников в пространственно-угловой области.
Фирмы Rohde&Schwarz и TCI выбраны для анализа потому, что они выпускают наиболее широкий спектр аппаратуры радиопеленгации и устройств, использующихся в стационарных и мобильных комплексах радиопеленгации. При этом характеристики аппаратуры и устройств, выпускаемых названными производителями, отличаются весьма высокими показателями, что дает основание считать фирмы Rohde&Schwarz и TCI мировыми лидерами в области теории и техники радиопеленгации.
Начнем анализ с наиболее простых в конструктивном отношении антенн вибраторного типа фирмы Rohde&Schwarz, которые наиболее часто интегрируются с высокочастотными уси-
лителями, функционирующими в сверхширо-кой полосе частот (с коэффициентом перекрытия до 104 и более) и обладающими очень большим динамическим диапазоном - до 120 дБ и более.
Диапазон рабочих частот активной приемной антенны НЕ010 (рис. 1,а), устанавливаемой на корпусе мобильного носителя (или ином противовесе) составляет от 10 кГц до 80 МГц. Антенна предназначена для приема вертикально-поляризованного радиоизлучения и измерения напряженности поля.
Г ‘ >ЧГ
б)
Рис. 1. Активные приемные вибраторные антенны (R&S): а) - HE010; б) - HE016
Коэффициент калибровки антенны (antenna factor) K[l/м], определяемый как отношение напряженности электрического поля в точке наблюдения E к напряжению на выходе антенны U , характеризуемой выходным импедансом 50 Ом:
E 2
" U ~ ~д ’
где 1д - действующая длина антенны, часто измеряемый в дБ (относительно величины [1/м]):
К[дБм- ] = -29.8 + 20 • \%(/) - О,
где / - частота, МГц,
О - коэффициент усиления антенны, дБ, характеризующий антенну НЕ010, принимает свое максимальное значение, равное 17дБ.
Уровень коэффициента стоячей волны по напряжению в стандартном коаксиальном тракте с волновым сопротивлением 50 Ом не превышает 3.
Высота антенного устройства -1000 мм, максимальный диаметр (у основания) - 120 мм. Масса антенны - 0.9 кг. Максимальная скорость ветра, при которой допустима эксплуатация антенны - 188 км/ч.
Активное антенное устройство HE011 имеет близкие характеристики к вышеприведенным и предназначено для установки в верхней точке опорной мачты, рис. 1, б).
Модификация HE016 активной антенны состоит из вертикального монополя, запиты-ваемого относительно опорной мачты, и двух горизонтальных диполей, рис. 1, в). Данная антенна позволяет осуществлять прием электромагнитных волн с произвольной поляризацией с любого направления.
Антенные устройства HE010, HE011 и HE016 могут быть использованы как в качестве одиночных антенных элементов, так и в составе антенных решеток. Их отличает простота конструкции, возможность приема волн в полосе частот с коэффициентом перекрытия до 8000^10000, а также возможность компенсации крайне низкой действующей длины на нижних частотах функционирования за счет тщательно спроектированного высокочастотного усилителя с высоким коэффициентом усиления, низким уровнем собственного шума и нелинейных искажений принимаемых сигналов.
Антенная система R&S ADD 011, выпускаемая фирмой Rohde&Schwarz (рис. 2), предназначена для функционирования в составе стационарных комплексов радиопеленгации в диапазоне частот от 0.3/1 МГц до 30 МГц, использующихся для измерения угловых координат вертикально-поляризованных источников поверхностных радиоволн и направлений прихода пространственных радиоволн с произвольным видом эллиптической поляризации и углами места в < 850. Используемый метод пеленгования - корреляционно-
интерферометрический.
Рис. 2. Внешний вид элементов радиопеленгаторных антенных систем R&S ADD 011 и R&S ADD 012
Антенная система R&S ADD 011 состоит из девяти антенных элементов, в качестве которых используются вертикальные несимметричные вибраторы (предназначенные для приема вертикально-поляризованных поверхностных волн), пространственно совмещенные с двумя рамками (предназначенными для приема пространственных волн с двумя ортогональными линейными поляризациями), расположенными во взаимно-перпендикулярных вертикальных плоскостях. Антенны располагаются на окружности диаметром 50 м. Высота антенных элементов составляет 3.5 м, масса - 32 кг. Чувствительность активных приемных элементов в диапазоне частот от 1 МГц до 30 МГц изменяется в пределах от 1 мкВ/м до 0.2 мкВ/м, соответственно. Среднеквадратическая погрешность пеленгования источников радиоизлучения в указанной выше полосе частот не превы-1 0
шает 1 .
Антенная система R&S ADD 012 состоит из подобных по виду антенных элементов несколько уменьшенных размеров (высота 2 м, масса - 14 кг) и предназначается для функционирования в составе стационарных и мобильных радиопеленгаторов диапазона частот от 0.3/1 МГц до 30 МГц, предназначенных для оценки угловых координат вертикально-поляризованных источников радиоизлучения. Обе рамки и вибратор в антенных элементах системы R&S ADD 012 запитаны синфазно, образуя симметричный широкополосный монополь, которые, в свою очередь, используются попарно, запитанные противофазно, образуя антенные элементы Эдкока. Восемь пар подобных монополей располагаются на окружности диаметра 20 м для функционирования в полосе частот от 0.3/1 МГц до 12 МГц (среднеквадратическая погрешность пеленгования в данной полосе частот составляет 10); оптимальное значение диаметра решетки для функционирования в полосе частот от 12 до 30 МГц составляет
7 м (среднеквадратическая погрешность пеленгования составляет 20). В антенной системе R&S ADD 012 реализован метод пеленгования Ватсона-Ватта, что позволяет реализовать высокую скорость обзора зоны наблюдения.
Стационарная логопериодическая антенна HL210A3 предназначена для приема вертикально-поляризованных поверхностных и объемных электромагнитных волн в коротковолновом диапазоне. Ширина главного лепестка диаграммы направленности в Н- плоскости по уровню половинной мощности составляет около 1200. С использованием трех (или большего числа) подобных антенных элементов можно
сформировать кольцевую антенную решетку для полноазимутального обзора пространства.
Коэффициент направленного действия (КНД) антенны по главному лепестку (относительно изотропного излучателя) изменяется от 8 до 10.5 дБ в полосе частот от 1.5 до 2 МГц и от 10.5 до 12 дБ - в полосе частот от 2 до 30 МГц.
Входное сопротивление антенны - 50 Ом. В полосе частот от 1.5 до 2 МГц уровень коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) не превышает 6; в полосе частот от 2 до 30 МГц - 2.5 (в основной полосе - не более 2.0). Составляющая коэффициента полезного действия антенны, обусловленная потерями энергии в элементах конструкции антенны, в рабочем диапазоне частот характеризуется значениями, не меньшими, чем 90%.
Антенна может функционировать при скорости ветра до 170 км/ч. Длина антенны - 97 м, ее высота - 90 м.
На рис. 3 показана логопериодическая антенна НЬ410Л3, предназначенная для приема горизонтально-поляризованных электромаг-
нитных волн в диапазоне частот от 1.5 до 30 МГц.
Ширина главного лепестка диаграммы направленности в Н- плоскости по уровню половинной мощности составляет около 700. Коэффициент направленного действия антенны в полосе частот от 1.5 до 1.6 МГц изменяется в пределах от 7.5 до 8 дБ (относительно изотропного излучателя). В полосе частот от 1.6 МГц до 30 МГц его величина лежит в интервале от 8 до 12 дБ.
Рис. 3. Стационарная логопериодическая антенна НЬ410Л3 для приема горизонтально-поляризованных электромагнитных волн в диапазоне частот от 1.5 до 30 МГц (Я&Б)
Входные параметры и коэффициент полезного действия антенны приблизительно соответствуют аналогичным параметрам антенны НЬ210Л3. Длина антенны - 94 м, ширина - 88 м, высота - 66 м.
Рис. 4. Компактная радиопеленгаторная антенная система R&S ADD 119 для диапазона частот от 0.3/1 МГц до 30 МГц
Антенны HL210A3 и HL410A3 отличают весьма небольшие электрические размеры на низких частотах (максимальные габаритные размеры антенн меньше половины длины волны на частоте 1.5 МГц); тем не менее, они обладают вполне приемлемыми входными характеристиками (КСВН < 6), коэффициентом полезного действия (КПД > 90%) и направленными свойствами (КНД > 8 дБи).
Компактная (габаритные размеры -1100x1100x232 мм3, масса - 25 кг) радиопелен-гаторная антенная система R&S ADD 119 (рис. 4) для диапазона частот от 0.3/1 МГц до 30 МГц характеризуется чувствительностью (являясь активной приемной антенной системой) от 4 мкВ/м до 2.5 мкВ/м в основном диапазоне частот от 1 МГц до 30 МГц.
Антенная система предназначена для оценки угловых координат вертикально-поляризованных источников поверхностных волн, а также - пространственных волн, излучаемых источниками, находящимися под достаточно малыми углами возвышения над горизонтальной плоскостью (в = 900 ).
Благодаря использованию в антенной системе двух ортогонально расположенных рамок и активного диполя, в ней реализован метод пеленгования Ватсона-Ватта, что позволяет достичь высокой пропускной способности радиопеленгатора при значении среднеквадрати-
/-ч0
ческой погрешности пеленгования 2 .
Несомненным достоинством антенной системы R&S ADD 119 является весьма высокая ее чувствительность, достигнутая при столь
малых электрических размерах ее элементов в рабочей полосе частот.
Ее недостатки также являются достаточно очевидными и присущими всем малоапертурным радиопеленгаторным антенным системам:
- существенные погрешности пеленгования в случае многолучевого распространения электромагнитных волн;
- значительно возрастает погрешность пеленгования при падении электромагнитных волн с направлений, близких к зенитному (в= 00).
Антенные системы R&S ADD 170 и R&S ADD 070M, показанные на рис. 5 и 6, предназначены для функционирования в полноазимутальных радиопеленгаторах дециметрового диапазона волн.
Антенная система R&S ADD 170 состоит из 8 печатных сверхширокополосных вибраторов с плечами почти квадратной формы, расположенных по кольцу диаметром около 400 мм и ориентированных вертикально. Подобная форма плеч вибраторов выбрана для компенсации реактивной составляющей их входного сопротивления: благодаря повышенному значению (относительно «классического» биконического вибратора с углами вершин конусов 900) емкости Свибр существенно уменьшается соответствующая величина реактивного сопротивления \/(1а0Сеибр) и входное сопротивление вибратора
существенно меньше изменяется в рабочей полосе частот f е [800;2000] МГц. Кроме того, повышается действующая длина вибраторов благодаря выравниванию амплитудного распределения тока по их плечам. Чувствительность антенной системы R&S ADD 170 с активными элементами составляет от 5 до 10 мкВ/м в рабочей полосе частот.
Рис. 5. Радиопеленгаторная антенная система R&S ADD 170 для оценки угловых координат пользователей мобильных радиотелефонов стандарта GSM
Рис. 6. Радиопеленгаторная антенная система R&S ADD 070M для оценки угловых координат источников радиоизлучения с произвольной поляризацией, функционирующих в диапазоне частот 1300-3000 МГц
Центральный дискоконусный вибратор, приподнятый относительно элементов кольцевой антенной решетки, используется в качестве опорного. В радиопеленгаторе с антенной системой R&S ADD 170 реализован корреляцион-но-интерферометрический метод пеленгования, позволяющий достичь высокой точности оценки угловых координат источников радиоизлучения (среднеквадратическая погрешность пеленгования составляет 2 ).
Антенная система R&S ADD 170 характеризуется габаритными размерами 455x455x393 мм3 и массой 11 кг.
Антенная система R&S ADD 070M (рис. 6) отличается возможностью полноазимутального пеленгования источников радиоизлучения с произвольной поляризацией, функционирующих в диапазоне частот 1300-3000 МГц. В качестве элементов данной антенной системы использованы 8 пар печатных биконических вибраторов (в состав каждой пары входят вертикальный и горизонтальный вибраторы с углом раскрыва около 80°; фазовые центры данных вибраторов совмещены), расположенных над металлическими экранами. Ширина экранов приблизительно равна полной длине вибратора; высота экранов приблизительно в 3 раза больше полной длины вибратора, очевидно, с целью сужения диаграммы направленности элементов в вертикальной плоскости.
Разработчики антенной системы R&S ADD 070M успешно использовали тот факт, что, варьируя форму плеч вибраторов (в частности - скругляя его границы), а также - изменяя величину зазора между вибратором и экраном, удается минимизировать величину вариации ширины главного лепестка диаграммы направленности вибраторов в рабочей полосе частот с коэффициентом перекрытия до 2^2.5, а
также - сохранить приемлемый уровень их согласования с фидерной линией.
К сожалению, при большей ширине полосы частот главный лепесток диаграммы направленности подобного широкоугольного вибратора над экраном «рассыпается» - в главном лепестке возникает провал, увеличивающийся при отклонении частоты от некоторого центрального значения, быстро растет уровень боковых лепестков, поэтому при коэффициенте частотного перекрытия, превышающего 2.5, данное схемное решение является уже непригодным.
В радиопеленгаторах, оснащенных данной антенной системой, используется корреляцион-но-интерферометрический метод пеленгования; в качестве опорного элемента по очереди используются все элементы решетки. среднеквадратическая погрешность пеленгования составляет 20 в рабочей полосе частот. Чувствительность активных элементов антенной системы R&S ADD 070M изменяется от 3 до 10 мкВ/м в рабочей полосе частот.
Антенная система R&S ADD 70M характеризуется габаритными размерами 455x455x364 мм3 и массой 11 кг.
Радиопеленгаторная антенная система R&S ADD 153 (рис. 7) предназначена для оценки угловых координат вертикально-
поляризованных источников излучения в диапазоне частот 20-1300 МГц с использованием ее в составе корреляционно-
интерферометрического пеленгатора.
Рис. 7. Радиопеленгаторная антенная система R&S ADD 153 для диапазона частот 20-1300 МГц
В качестве элементов антенной системы использованы несимметричные вибраторы с емкостными нагрузками на торцах. Антенные элементы выполнены в печатном исполнении. Их максимально допустимая высота ограниче-
5 о -
на значением около —Л0 на максимальной час-
8 0
тоте рабочего диапазона; в действительности длина их плеч приблизительно на треть меньше указанного выше значения.
Данное обстоятельство существенно ограничивает чувствительность антенной системы с простыми (с плечами без разрывов, в которые обычно включаются p-i-n диоды или реактивные элементы) вибраторными элементами, функционирующую в полосе частот с коэффициентом перекрытия, равным 75. Данный компромисс между шириной полосы рабочих частот и чувствительностью радиопеленгаторных антенных решеток с простыми вибраторными элементами является неизбежным в силу расщепления их главного лепестка на достаточно высоких частотах, когда длина плеча стремиться к длине волны.
Чувствительность активных элементов составляет от S до 0.5 мкВ/м в рабочей полосе частот; среднеквадратическая погрешность пеленгования составляет 20 в полосе частот от 20 до 200 МГц и 10 - в полосе частот от 200 до 1300 МГц.
Габаритные размеры антенной системы составляют 1100x1100x297 мм3; масса антенны
- 30 кг.
Особое внимание заслуживает трехлитерная радиопеленгаторная антенная система, расположенная на опорной матче с растяжками, предназначенная для полноазимутального наблюдения и оценки угловых координат источников радиоизлучения в диапазоне частот от 20 до 3000 МГц (антенная система R&S ADD 153 в данной комплектации интегральной антенной системы используется для пеленгования вертикально-поляризованных источников в полосе частот от 200 до 1300 МГц (расположена наверху опорной мачты и закрыта радиопрозрач-ным колпаком); антенная система R&S ADD 070 расположена под точками подсоединения растяжек к опорной мачте и предназначена для пеленгования источников с произвольной поляризацией в полосе частот от 1300 до 3000 МГц; в центре расположена антенная система R&S ADD 050, предназначенная для пеленгования источников с вертикальной поляризацией в полосе частот от 20 до 200 МГц).
Особенностью данной трехлитерной антенной системы является перекрытие полос частот антенных решеток R&S ADD 153 (201300 МГц) и R&S ADD 50 (20-200 МГц). Благодаря большей базе и действующей длине элементов антенная система R&S ADD 50 обладает существенно большей чувствительностью, чем R&S ADD 153 в соответствующей полосе частот: от 2.5 до 1 мкВ/м и вдвое мень-
шей инструментальной погрешностью измерения угловых координат источников радиоизлучения: 10. Существенным преимуществом антенной решетки R&S ADD 50 является также возможность существенного повышения точности пеленгования в условиях многолучевого распространения радиоволн, излучаемых источником.
Габаритные размеры антенной системы составляют 3000x3000x800 мм3; масса антенны
- 70 кг.
Несомненным достоинством антенных систем R&S ADD 153, R&S ADD 070 и R&S ADD 50 является удобство их размещения на опорной мачте, малое аэродинамическое сопротивление и возможность их использования как в комплексе, так и в отдельности. При этом антенные системы R&S ADD 153 и R&S ADD 070 могут быть использованы как в стационарных, так и в мобильных радиопеленгаторах.
Рассмотрим особенности структурной схемы радиопеленгатора R&S DDF 0xE, приведенной на рис. 8. Приведенная структурная схема иллюстрирует концепцию использования «виртуальных» приемных устройств (concept of virtual receivers) в радиопеленгаторах фирмы Rohde&Schwarz. Суть данной концепции заключается в том, что количество используемых приемных устройств является значительно меньшим, чем количество элементов антенной системы. Один из вибраторов (первый, показанный светлым кружком на рис. 8) используется в качестве опорного (относительно которого измеряются значения фаз колебаний на выходах остальных антенных элементов); выходные сигналы с элементов (2-5) последовательно во времени подаются на приемное устройство 1, выходные сигналы с элементов (6-9)
- на приемное устройство 2. Цикл последовательного измерения амплитуд и фаз на выходах элементов (2-5) и (6-9) имеет временную длительность не более нескольких десятых долей миллисекунды, что обеспечивается использованием приемных устройств (1-3) с высокой пропускной способностью. В результате в аппаратно-программном комплексе радиопеленгации R&S DDF 0xE соблюдается определенный компромисс между довольно высокой пропускной способностью и небольшим числом используемых приемных устройств, существенно меньшим количества антенных элементов.
В блоке аналогово-цифровой обработки (DF processor) принятые сигналы оцифровываются (блок A/D) и, на основе измеренных величин амплитуд A1,...,A9 и фаз р1,...,р9 принятых
колебаний вычисляются азимут а и угол места е источника радиоизлучения. Для этой цели наиболее часто используется либо метод Ватсона-Ватта, либо интерференционно-
корреляционный метод пеленгации.
Рис. 8. Структурная схема радиопеленгатора R&S DDF 0xE
Используемая концепция «виртуальных» приемных устройств является ни чем иным, как разновидностью одного из методов последовательной обработки сигналов в многоканальных радиосистемах, с точки зрения научной и технической новизны в ней нет ничего неординарного.
Приемники (1-3) в каждой частотной литере радиопеленгаторного комплекса функционируют синхронно благодаря использованию общего синтезатора частот и контроллера в блоке конвертора каждого частотного диапазона. Структура аппаратно-программного комплекса является достаточно гибкой: в частности, существует возможность использования необработанных данных (Raw data) - амплитуд и фаз принятых колебаний для реализации алгоритмов данных, используемых оператором (например, реализующих методы сверхразрешения источников радиоизлучения в пространственно-угловой области). Использование сигнальных процессоров для оценки угловых координат источников позволяет существенно повысить пропускную способность радиопеленгатора.
Учитывая сложную геометрию носителей радиопеленгаторных антенных решеток (на рис. 9 показан вариант расположения антенной системы непосредственно на крыше автомобиля), а также широкий диапазон длин волн функционирования комплексов радиопеленгации, в котором имеют место многочисленные собственные резонансы корпуса носителя, опорной мачты, непосредственно самой антенной системы, актуальной является задача реально-временной коррекции дифракционных искажений наблюдаемого поля, приводящих к существенным ошибкам измерения угловых
координат источников радиоизлучения - вплоть до нескольких десятков градусов.
Наиболее часто компенсация влияния дифракционных искажений наблюдаемого поля осуществляется с помощью записи и хранения в памяти компьютерного устройства обработки информации частотно-угловых зависимостей амплитуд и фаз принятых колебаний, используемых в дальнейшем в качестве эталонных зависимостей, с которыми производится сравнение соответствующих параметров принятых сигналов (для чего наиболее часто используется корреляционно-интерференционный метод пеленгации).
Рис. 9. Антенная система R&S ADD 119 на крыше автомобиля
Тем не менее, у вышеописанного способа имеется ряд существенных недостатков, в ряде случаев делающих неэффективным, либо невозможным его использование:
- весьма сложной и дорогой процедурой является сбор эталонных частотно-угловых зависимостей амплитуд и фаз принятых колебаний с учетом изменяющегося угла места источника радиоизлучения;
- операция формирования базы опорных колебаний для бортовых радиопеленгаторов (при использовании в качестве носителя самолета или вертолета) требует существенных затрат времени и сопровождается значительными техническими трудностями;
- принимаемые электромагнитные волны имеют неизвестный вид и параметры поляризации, установить значения которых весьма сложно - в настоящее время отсутствует эффективная методика измерения наклона большей оси эллипса поляризации, величины отношения большой и малой осей и т.д., так как при дифракции электромагнитных волн на носителе весьма существенным фактором является деполяризация рассеянных волн;
- строго говоря, геометрия носителя и его материальные свойства могут изменяться с те-
чением времени: деформации корпуса, появление или пропадание гальванических контактов деталей корпуса, не говоря уже о том, что могут быть открыты или закрыты двери, люки и др.
Поэтому задача компенсации влияния дифракционных искажений наблюдаемого поля на точность пеленгования является весьма актуальной и требует разработки принципиально новых методов и способов, вообще не требующих знания какой-либо информации о геометрии носителя и его материальных свойствах.
Как следует из проведенного выше анализа, для радиопеленгаторных антенных систем, выпускаемой фирмой Rohde&Schwarz, является характерным реализация классических, проверенных десятилетиями, принципов построения отдельных антенных элементов и составленных из них антенных решеток: симметричные и несимметричные электрические вибраторы и рамки используются не только в КВ и УКВ диапазонах волн, но и на более высоких частотах, вплоть до СВЧ диапазона.
Использование логопериодических антенн в КВ и УКВ диапазонах волн также вписывается в рамки классического подхода повышения чувствительности и разрешающей способности по угловым координатам радиотехнических систем приема и обработки сигналов, хотя данные антенны и обладают существенной особенностью - у них отсутствует фазовый центр, и, следовательно, при применении решетки из логопериодических антенн, может быть реализован лишь амплитудный метод пеленгации, характеризующийся невысокой точностью оценки угловых координат источников радиоизлучения.
На частотах выше 1 ГГц весьма эффективным может являться использование в радиопе-ленгаторных антенных системах элементов Вивальди и ТЕМ- рупоров, характеризующихся возможностью функционирования в полосе частот с коэффициентом перекрытия более 10 и удовлетворительными направленными свойствами. Кроме того, при использовании кольцевых и секторных антенных решеток, состоящих из элементов Вивальди и ТЕМ- рупоров, существует возможность реализации амплитуднофазовых методов пеленгования, что позволяет совместить три важные преимущества подобных антенных систем: габаритные размеры, не большие, чем у вибраторной антенной решетки; существенно большую чувствительность; высокую точность оценки угловых координат источников радиоизлучения. Ценой использования подобных антенных элементов является
некоторое усложнение конструкции антенной системы и применение более сложного алгоритма обработки принимаемых сигналов; однако, применение современных быстродействующих сигнальных процессоров позволяет избежать существенно снижения пропускной способности радиопеленгаторных комплексов, оснащенных подобными антенными системами.
Рассмотрим далее особенности построения радиопеленгаторных антенных систем фирмы TCI, для которой характерно широкое использование сверхширокополосных направленных антенных элементов, не имеющих фазового центра.
Антенная система TCI 643 (рис. 10) предназначена для использования в интерференционно-корреляционных радиопеленгаторах,
функционирующих в диапазоне частот от 20 до 3000 МГц.
Рис. 10. Радиопеленгаторная антенная система TCI 643, функционирующая в режиме приема волн с вертикальной и горизонтальной поляризацией в диапазоне частот от 20 до 3000 МГц
Ее особенностью является использование кольцевой антенной решетки, состоящей из 9 пар, ортогонально расположенных в каждой паре, «плавниковых» ТЕМ- рупоров. Подобные антенные элементы являются в достаточной степени «прозрачными» - в том смысле, что они не слишком сильно экранируют антенны, расположенные в области их боковых и заднего лепестков. Центральный биконический вибратор используется в качестве опорного (также он может использоваться для функционирования комплекса в режиме радиомониторинга).
Каждый из используемых антенных элементов характеризуется отсутствием фазового центра, что создает определенные трудности при создании математического и программного обеспечения, предназначенного для получения оценки азимутальной координаты источников радиоизлучения в реальном масштабе времени.
Тем не менее, благодаря использованию процедуры интерференционно-корреляционного пеленгования и базы данных, состоящей из частотно-угловых зависимостей амплитуд и фаз принимаемых колебаний, в радиопеленгаторах, оснащенных антенной системой ТСІ 643, удается достичь среднеквадратической погрешно-
»-» /->0
сти пеленгования, не превышающей 2 .
Диаметр антенной системы ТСІ 643 в ра-диопрозрачном защитном кожухе составляет 1321 мм, высота - 711 мм.
Следует указать на невозможность пеленгования с помощью описываемой антенной системы источников радиоизлучения, расположенных вблизи зенитного направления (вообще говоря, данный недостаток является присущим абсолютному большинству радиопеленгатор-ных антенных систем).
Тем не менее, использование в серийно выпускаемых радиопеленгаторах направленных антенн без фазового центра, позволяет существенно повысить их чувствительность и является серьезным новаторским шагом в технике радиопеленгования. Здесь же отметим, что возможность и эффективность использования направленных антенн без фазового центра (ТЕМ-рупоров и антенн Вивальди) была показана в работе [3]. Отметим также, что в работах [4-8] предложены пути дальнейшего повышения чувствительности радиопеленгаторных комплексов и расширения их зоны обзора.
В радиопеленгаторном комплексе ТСІ 803 С использована аналогичная антенная система, состоящая из 9 пар ортогональных ТЕМ- рупоров пирамидальной формы. Данный комплекс позволяет оценивать угловые координаты источников радиоизлучения с вертикальной и горизонтальной поляризацией в диапазоне частот от 20 до 3000 МГц со среднеквадратической погрешностью не более 20.
Используемая антенная система отличается существенно уменьшенным взаимодействием между элементами по внешнему полю благодаря локализации энергии электромагнитного поля, преимущественно, внутри ТЕМ-рупоров (антенная система ТСІ 643 представляет собой отрезок нерегулярной линии передачи с потерями, существенно более «открытой», чем в конструкции, примененной в радиопеленгатор-ном комплексе ТСІ 803 С). Однако, антенная система комплекса ТСІ 803 С существенно в большей степени искажает наблюдаемую картину поля, поэтому ее инструментальная точность приблизительно такая же, как у ТСІ 643.
Анализируя приведенные выше материалы, можно констатировать, что ведущие миро-
вые разработчики и производители аппаратуры радиопеленгации - фирмы Rohde&Schwarz (Германия) и ТС1 (США) ориентируются на использование как классических конструкций антенных элементов: несимметричных и симметричных электрических вибраторов, рамочных антенн, вибраторных логопериодических антенн (Rohde&Schwarz и ТС1), так и сверхши-рокополосных направленных антенн, не имеющих фазового центра: антенн Вивальди, ТЕМ-рупоров (ТС1).
Весьма высокая точность пеленгования в стационарных и, что особенно важно, в мобильных радиопеленгаторных комплексах (среднеквадратическая погрешность пеленгования не превышает 1-20) достигается за счет использования баз данных калиброванных уг-ло-частотных зависимостей амплитудно-
фазовых распределений напряжений на выходах антенных элементов.
В ряде радиопеленгаторных комплексов (как стационарного, так и мобильного базирования) имеется возможность оценки угловых координат не только вертикально-
поляризованных источников, но и горизонтально-поляризованных источников.
Вместе с тем, ряд важных для практических потребностей задач является еще не решенным или решенным нерационально:
- базы данных калиброванных углочастотных зависимостей амплитудно-фазовых распределений напряжений на выходах антенных элементов создаются для конечного набора определенных видов подстилающих поверхностей (влажная и сухая почва, а также - почва средней степени влажности), в то время, как реальная подстилающая поверхность является непредсказуемо неоднородной, что может приводить к существенным погрешностям пеленгования;
- измеренные амплитуды и фазы напряжений, соответствующие падению электромагнитной волны с ряда фиксированных направлений, составляющие базу данных в рабочем диапазоне функционирования радиопеленгатора, могут эффективно использоваться в качестве эталонных (опорных) напряжений в случае, когда геометрия и материальные свойства носителя и опорной мачты являются неизменными, в то время, как к непредсказуемому изменению свойств рассеивателя электромагнитных волн может привести открытие дверей и люков, механические повреждения носителя, коррозия и т. д .;
- актуальным является создание методов и алгоритмов обработки принимаемых сигналов,
не использующих баз опорных данных (получение которых связано с существенными трудностями и материальными затратами) и позволяющих существенно уменьшить погрешность пеленгования, вызванную рассеянием волн на корпусе носителя, опорной мачте и самой антенной системе, а также - на других близлежащих рассеивателях в условиях априорной неизвестности относительно материальных и геометрических свойств носителя, а также - вида поляризации принимаемых электромагнитных волн;
- для многих практических приложений требуются радиопеленгаторные комплексы с расширенной зоной обзора, в частности, с отсутствием «мертвой» зоны в зенитной области углов, для произвольного вида поляризации наблюдаемого электромагнитного поля;
- габаритные размеры многолитерных ра-диопеленгаторных антенн бортового базирования желательно минимизировать, учитывая ограниченное пространство под фюзеляжем летальных аппаратов и тенденцию расширения полосы частот функционирования аппаратуры и необходимости повышения ее чувствительности (что наоборот, требует увеличения размеров антенных элементов), для чего могут быть использованы различные физические принципы, в том числе - принцип фрактальности, реализующийся во вложенности более высокочастотных литер антенной системы внутрь низкочастотных;
- в имеющихся радиопеленгаторах отсутствует возможность одновременного разрешения нескольких когерентных источников радиоизлучения, тогда как эта потребность обусловлена стремительно развивающейся областью сотовой и спутниковой телефонии;
- многие используемые антенные системы не позволяют (или существенно затрудняют) реализацию режима моноимпульсного пеленгования, в то время как данная потребность связана с быстрым развитием аппаратуры приема-передачи и обработки информации, использующей сверхкороткие импульсы (с длительностью менее 1 нс).
Литература
1. www.rohde-schwarz.com.
2. www.tcibr.com.
3. Ашихмин А.В. Проектирование и оптимизация сверхширокополосных антенных устройств и систем для аппаратуры радиоконтроля. - М.: Радио и связь, 2005. -486 с.
4. Ашихмин А.В., Пастернак Ю.Г., Рембовский Ю.А. Амплитудно-фазовое пеленгование источников СВЧ- радиоизлучения с произвольной поляризацией с помощью кольцевой антенной решетки из ТЕМ- рупоров и антенн Вивальди / Антенны. 2008. № 3(130). С. 44-49.
5. Ашихмин А.В., Пастернак Ю.Г., Рембовский Ю.А. Проектирование антенных систем мобильных комплексов радиопеленгации / Антенны. 2008. № 3(130). С. 50-59.
6. Рембовский Ю. А. Разработка и исследование антенной системы мобильного радиопеленгатора с повышенной чувствительностью и возможностью приема волн с произвольной поляризацией / Антенны. 2008. № 7-8(134-135). С. 16-27.
7. Ашихмин А.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рембовский Ю.А. Использование электрических вибраторов, запитываемых щелевыми линиями, для повышения чувствительности и снижения числа литер приемной антенной системы / Антенны. 2008. № 7-8(134-135). С. 3643.
8. Ашихмин А.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рембовский Ю.А. Планарная антенная система для полноазимутального пеленгатора волн с горизонтальной поляризацией с возможностью формирования квазиигольча-тых и квазитороидальных парциальных диаграмм направленности / Антенны. 2008. № 10(137). С. 47-51.
Научно-производственное предприятие ЗАО «ИРКОС», г. Москва Воронежский государственный технический университет
THE STATE-OF-THE-ART CONDITION’S ANALYSIS AND EVOLUTION’S PROSPECTS OF THE ANTENNAS’ THEORY AND TECHNIQUE USED IN COMPLEXES OF RADIOMONITORING AND
RADIO DIRECTION FINDING
A.V. Ashihmin, V.A. Kozmin, A.V. Negrobov, Yu.G. Pasternak, Yu.A. Rembovsky
The state-of-the-art condition’s analysis of the antenna assemblies and systems used in stationary and mobile radio direction finding complexes, made by the firms being world leaders in the given area - Rohde*Schwarz (Germany) and TCI (USA) is carried out. Advantages and deficiencies serially released radio direction finding antenna systems are analyzed and perspective directions of their evolution are determined, proceeding from available practical requirements
Key words: radio direction finding, antenna system, bearing
