Научная статья на тему 'АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ ДВУХПОЗИЦИОННОГО РАДИОЛОКАТОРА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ'

АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ ДВУХПОЗИЦИОННОГО РАДИОЛОКАТОРА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
17
8
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
антенные системы / радиолокатор / беспилотный летательный аппарат / однопроводная линия / antenna systems / radar / unmanned aerial vehicle / single-wire line

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Проскурин Д. К.

Предложен подход к построению двухпозиционного радиолокатора для обнаружения и измерения параметров низколетящих и малозаметных целей, в частности – малых и средних беспилотных летательных аппаратов. Помимо наземного активного радиолокатора, включающего в себя аппаратуру излучения, приема и обработки эхосигналов, используется приемная антенная система проволочного типа, расположенная между двумя беспилотными летательными аппаратами вертолетного типа и вращаемая в азимутальной плоскости. Показано, что использование однопроводных линий в качестве фидеров, возбуждающих проволочные элементы линейной эквидистантной антенной решетки с периодом, равным длине волны, позволяет реализовать веерную диаграмму направленности бортовой приемной антенны с шириной главного лепестка в азимутальной плоскости около 1°. Получены оценки потерь в материалах и суммарных потерь в приемной антенне бортового базирования и в приемо-передающей антенне наземного базирования на основе использования пакета программ электродинамического моделирования.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Проскурин Д. К.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

TWO-POSITION RADAR ANTENNA SYSTEMS FOR DETECTING UNMANNED AERIAL VEHICLES

An approach to the construction of a two–position radar for detecting and measuring the parameters of low-flying and low-visibility targets, in particular small and medium-sized unmanned aerial vehicles, is proposed. In addition to the ground-based active radar, which includes equipment for radiation, reception and processing of echo signals, a wire-type receiving antenna system is used, located between two helicopter-type unmanned aerial vehicles and rotated in the azimuthal plane. It is shown that the use of single-wire lines as feeders exciting wire elements of a linear equidistant antenna array with a period equal to the wavelength makes it possible to implement a fan-shaped directional pattern of an on-board receiving antenna with a main lobe width in the azimuthal plane of about 1°. Estimates of losses in materials and total losses in the on-board receiving antenna and in the ground-based receiving and transmitting antenna are obtained based on the use of an electrodynamic modeling software package.

Текст научной работы на тему «АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ ДВУХПОЗИЦИОННОГО РАДИОЛОКАТОРА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ»

СОДЕРЖАНИЕ

УДК 621.396

ГРНТИ 47.49.29

АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ ДВУХПОЗИЦИОННОГО РАДИОЛОКАТОРА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Д.К. ПРОСКУРИН, кандидат физико-математических наук, доцент

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный техническийуниверситет» (г. Воронеж)

Предложен подход к построению двухпозиционного радиолокатора для обнаружения и измерения параметров низколетящих и малозаметных целей, в частности - малых и средних беспилотных летательных аппаратов. Помимо наземного активного радиолокатора, включающего в себя аппаратуру излучения, приема и обработки эхосигналов, используется приемная антенная система проволочного типа, расположенная между двумя беспилотными летательными аппаратами вертолетного типа и вращаемая в азимутальной плоскости. Показано, что использование однопроводных линий в качестве фидеров, возбуждающих проволочные элементы линейной эквидистантной антенной решетки с периодом, равным длине волны, позволяет реализовать веерную диаграмму направленности бортовой приемной антенны с шириной главного лепестка в азимутальной плоскости около 1°. Получены оценки потерь в материалах и суммарных потерь в приемной антенне бортового базирования и в приемопередающей антенне наземного базирования на основе использования пакета программ электродинамического моделирования.

Ключевые слова: антенные системы, радиолокатор, беспилотный летательный аппарат, однопроводная линия.

Введение. Продуктивным подходом к снижению вероятности пропуска низколетящих целей с малыми значениями эффективной поверхности рассеяния, каковыми являются ударные беспилотные летательные аппараты (БПЛА), является использование многопозиционных радиолокаторов, часть приемной аппаратуры которых базируется на летательных аппаратах, в целях уменьшения интенсивности волн, отраженных от цели, далее - от подстилающей поверхности, и складывающихся в противофазе с прямыми отраженными волнами.

Для реализации данного подхода необходимо обеспечить выполнение ряда условий:

- антенная система бортового базирования должна быть простой конструктивно, быстро и легко развертываемой, легкой, дешевой;

- потери мощности в антенной системе должны быть малыми;

- носители антенной системы должны быть по возможности максимально дешевыми, иметь минимальные габаритные размеры, обладать возможностью достаточно быстро вращать антенную систему в азимутальной плоскости;

- аэродинамическое сопротивление антенны должно быть минимальным;

- антенная система должна позволять разрешать цели с точностью около 1° по двум координатам.

Всем вышеуказанным требованиям удовлетворяют только антенны проволочного типа: зеркальные антенны имеют высокую парусность и значительную массу, волноводные решетки характеризуются значительной массой, высокой стоимостью.

В настоящей статье описаны антенные системы наземного и бортового базирования, распределительная фидерная система которых построена на основе однопроводных линий -тонких медных проводов с тонкой диэлектрической изоляцией, возбуждаемых с помощью плоских ТЕМ-рупоров, представляющих собой модификацию антенны Вивальди, полоски которой замкнуты между собой в узком участке щели.

СОДЕРЖАНИЕ

Актуальность. Для обеспечения малых потерь мощности в антенных системах радиолокаторов бортового базирования используются волноводные элементы и диаграммообразующие системы, а также - активные фазированные антенные решетки (ФАР), с каждым элементом которых интегрированы усилитель мощности или - малошумящий усилитель.

Однако, волноводные элементы ФАР и диаграммообразующие системы волноводного типа имеют значительную массу и стоимость, что препятствует возможности их размещения на малых БПЛА вертолетного типа. Кроме того, волноводные ФАР с прямоугольной формой раскрыва имеют существенное аэродинамическое сопротивление, что также ограничивает их использование в сложных погодных условиях (например - при сильном ветре).

Активные ФАР могут быть изготовлены с использованием технологии производства печатных плат, однако, для достижения малых потерь в их элементах приходится использовать дорогостоящие СВЧ-ламинаты с катаной медью, т. к. в проводниках, выполненных на основе электроосажденной меди, имеют место существенны потери, вследствие среднеквадратических значений шероховатости металла до 2 микрометров. Использование активных элементов, интегрированных с малошумящими усилителями, связано с существенным повышением стоимости антенных решеток.

Поэтому в настоящей работе в качестве фидерных линий использованы однопроводные линии - медные проводники с тонким слоем диэлектрика с малыми потерями, возбуждаемые плоскими ТЕМ-рупорами. Однопроводные линии имеют малые потери мощности, сравнимые по уровню с металлическими волноводами, малую массу и низкую стоимость, а также -характеризуются малыми поперечными размерами, что обусловливает малое аэродинамическое сопротивление антенн на их основе. Расположение параллельно однопроводной фидерной линии отрезков тонких проводников, прикрепленных к тонкому диэлектрическому тросу, является удобным способом возбуждения в них токов, величина которых может изменяться путем вариации расстояния между излучателями и фидерной линией.

Цель работы - получение оценок параметров диаграмм направленности антенных систем бортового и наземного базирования с диаграммообразующей системой последовательного типа, построенной на основе однопроводных линий, а также - потерь в материалах антенных систем.

Исследование антенной решетки бортового базирования. В однопроводных линиях распространяется волна волноводного типа E10, характеризующаяся очень малыми потерями мощности благодаря тому, что силовые линии напряженности электрического поля которой имеют продольную составляющую, обращающуюся, практически, в ноль на поверхности металла, в результате чего доля потока мощности, передаваемой в непосредственной близости от проводника, является весьма малой, по отношению к суммарной мощности волны, передаваемой по однопроводной линии. Параллельно однопроводным линиям расположены проволочные вибраторы (в модели не учитывалось влияние тонких диэлектрических тросиков, к которым прикреплены вибраторы); однопроводные линии выполняют также функцию рефлекторов, позволяющих реализовать диаграмму направленности (ДН) веерного типа, (рисунок 1).

Рисунок 1 - Фрагмент модели антенной решетки, состоящей из 4 линейных эквидистантных решеток, возбуждаемых волнами, бегущими вокруг 4 однопроводных линий, возбуждаемых плоскими ТЕМ-рупорами

СОДЕРЖАНИЕ

В ходе исследований было выяснено, что, используя линейные антенные решетки с распределительной фидерной линией и проволочными вибраторами в качестве элементов двухкоординатной антенной решетки, можно осуществлять широкоугольное сканирование диаграммой направленности в плоскости, перпендикулярной направлениям расположения линейных решеток, образующих плоскую решетку, путем запитки подрешеток с линейным законом распределения фазы.

Для построения модели был использован частотный диапазон в окрестности частоты 2.4 ГГц, в котором эффективная поверхность рассеяния БПЛА достаточно велика, вследствие наличия в них деталей, характеризующихся резонансным рассеянием волн в данном диапазоне частот. Была синтезирована антенна бортового базирования (растянутая между двумя БПЛА вертолетного типа, вращающихся вокруг центра антенны) со следующими характеристиками:

Поляризация принимаемых волн - горизонтальная.

Длина антенной системы - 6168 мм. Ширина - 78 мм. Высота - 125 мм.

Длина излучающей структуры - 5914 мм.

Период излучающей структуры - 112 мм.

Длина вибраторов излучающей структуры - 60 мм.

Длина директоров излучающей структуры - 40 мм.

Расстояние от однопроводной линии до вибраторов излучающей структуры - 20 мм.

Расстояние от вибраторов излучающей структуры до директоров - 20 мм.

Период расположения 4-х линейных подрешеток - 25 мм.

В качестве модели однопроводных линий использовался медный провод диаметром 1 мм со слоем тефлоновой изоляции с внешним диаметром 3 мм.

Электродинамическое моделирование разработанных антенных решеток проводилось с использованием пакета программ Microwave Studio CST [1], при проведении расчетов использовался метод конечного интегрирования Вейланда [2-4], реализованный в пространственно-временной области.

Ширина главного лепестка ДН в вертикальной плоскости по уровню половинной мощности - 64.6 градуса (рисунок 2, 3).

Рисунок 2 - Объемная диаграмма направленности антенной системы бортового базирования, растянутая между двумя БПЛА вертолетного типа, состоящая из 4-х линейных подрешеток

СОДЕРЖАНИЕ

Farfield Drecdvty Abs (Theta=94.3)

гатей (f=2A)

20 -

19

17-

16 ■

lb

13 -

11 -

10 -

Frequency

GHz

ом

magnrude

ilR

Main

■ i e

d recto n

deg

Г : n

JJ

м g в

width

dBj

deg

17C

is I

181

210

240

DM

level

S со

P

Degre

Рисунок 3 - ДН плоской антенной решетки в угло-местной плоскости

Ширина главного лепестка ДН в горизонтальной плоскости по уровню половинной мощности - 1.1 градуса (рисунок 2, 4). Уровень заднего лепестка - около -9 дБ.

Рисунок 4 - ДН плоской антенной решетки в азимутальной плоскости

СОДЕРЖАНИЕ

В модели на противоположной стороне однопроводных линий размещались такие же плоские ТЕМ-рупоры, нагруженные на согласованные нагрузки с номиналом 50 Ом (рисунок 2).

Измерение угла места проводится путем калибровки комплексных ДН четырех линейных подрешеток путем вычисления коэффициента взаимной корреляции измеренного и эталонных амплитудно-фазовых распределений.

В горизонтальной плоскости существует возможность формирования суммарной и разностной ДН, если тщательно подобрать период проволочных излучателей, чтобы на рабочей частоте излучение было строго по нормали.

На рисунке 5 приведены частотные зависимости коэффициентов отражения от возбуждаемых входов четырех линейных антенных решеток в случае синфазной и равноамплитудной их запитки. Максимальный уровень коэффициента отражения составил около -15дБв полосе частот 2.2-2.6 ГГц.

Потери мощности в материалах антенны не превышают в анализируемой полосе частот

0.24 дБ, а суммарные потери (в материалах, с учетом неидеального согласования и потерь в балластных нагрузках на противоположной стороне подрешеток) - 1дБ (рисунок 6).

Рисунок 5 - Коэффициенты отражения от входов антенной системы бортового базирования при их синфазном и равноамплитудном возбуждении, дБ

Отметим достоинства предлагаемого подхода:

- приемная антенная система бортового базирования радиолокатора для обнаружения БПЛА представляет собой проволочную конструкцию, растянутую между двумя БПЛА вертолетного типа, вращающихся вокруг центральной точки антенны, за счет чего реализуется обзор зоны действия по азимуту;

- потери мощности в антенной системе незначительны (десятые доли дБ);

- масса антенны незначительна, так как основными элементами ее конструкции является тонкопроволочная фидерная линия и тонкопроволочные излучатели, что дает возможность использования двух малых БПЛА вертолетного типа для ее пространственного

СОДЕРЖАНИЕ

позиционирования (антенна располагается в горизонтальной плоскости), в конструкции антенны отсутствуют металлические волноводы и тяжелые диэлектрические детали;

- антенная система может быть реализована в различных диапазонах частот - L, S, С, X, Ku, K, Ka;

- антенная система не содержит дефицитных и дорогих материалов и комплектующих, ее себестоимость - очень низкая, что дает возможность реализовать их массовое производство;

- даже в диапазонах L, S, С возможна реализация диаграммы направленности антенной системы, характеризующейся шириной порядка 1° в азимутальной плоскости, что дает возможность реализации высокой точности оценки азимута цели и повышает энергетический потенциал радиолокатора;

- измерение угла места проводится путем калибровки комплексных диаграмм направленности линейных подрешеток путем вычисления коэффициента взаимной корреляции измеренного и эталонных амплитудно-фазовых распределений (амплитудно-фазовый способ пеленгования);

- использование предлагаемой приемной антенной системы бортового базирования в существующих комплексах радиолокации, в качестве дополнительной приемной антенной системы, позволит существенно повысить дальность их действия и существенно снизить вероятность пропуска цели.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Ш Results\Efficiencies [Magnitude]

-0 1

Rad. Efficiency

Tot. Efficiency

-02

-0.3

-04

0.3

0.6

-0.7

-i)4

-0.9

2.2 2.25 2.3 2.35 2.4 2.45 2 5 2.55 2.6

Frequency / GHz

Рисунок 6 - Потери в материалах и суммарные потери антенны бортового базирования, дБ

Исследование антенной решетки наземного базирования. Антенная система наземного базирования, используемая для излучения зондирующих импульсов и приема эхо-сигналов, отраженных от целей, может быть также реализована на основе использования в качестве распределительных фидерных линий однопроводных линий, а в качестве излучателей может быть использована дифракционная решетка типа «гребенка» с периодом, приблизительно равным длине волны (рисунок 7).

СОДЕРЖАНИЕ

Рисунок 7 - Модель антенной системы наземного радиолокатора

Перспективная технология изготовления гребенки - профилированный пенопласт, на который наклеена медная или алюминиевая фольга. Однопроводные линии - медный провод диаметром 1 мм со слоем тефлоновой изоляции с внешним диаметром 3 мм.

Антенная система стационарного радиолокатора диапазона 2.4 ГГц характеризуется следующими параметрами:

Поляризация излучаемых и принимаемых волн - горизонтальная.

Длина антенной системы - 1926 мм. Ширина - 280 мм. Высота - 156.5 мм.

Длина гребенки - 1735 мм. Период гребенки - 112 мм. Ширина пазов гребенки - 57 мм. Глубина пазов гребенки - 31 мм.

Ширина главного лепестка в вертикальной плоскости по уровню половинной мощности -30.2 градуса (рисунок 8, 9).

СОДЕРЖАНИЕ

1^

farfteld (f=2.4) [1....0,0.0]+4[ Type farfield

Approximation enabled (kR >> 1) Component Abs

Output Directivity

frequency 2.4 GHj

Rad. Effic, -0.1549 dB

Tot Effic -0.2536 dB

Dir. 22.09 dBi

Рисунок 8 - ДН антенной системы наземного базирования в объеме

Ширина главного лепестка в горизонтальной плоскости по уровню половинной мощности - 3.4 градуса (рисунок 8, 10).

Частотные зависимости потерь в антенной системе показаны на рисунке 11, величина суммарных потерь не превышает 0.55дБ.

Величина коэффициентов отражения от входов антенны в полосе частот 2.2-2.52 ГГц не превышает -10дБ (рисунок 12).

СОДЕРЖАНИЕ

Рисунок 11 - Потери в материалах и суммарные потери антенной системы наземного базирования, дБ

Farneld Drectrvty Abs (Phi=90)

farneld (f=2.4)

20

15 -

10 -

Frequency = 2.4 GHz

Main lobe magnitude =

22.1 dBi

Main obe direction =

94.8 deg

Angular width (3 dB) =

3.4 deg

10(1

140

lfiO

Side lobe level =

-9,1 dB

Theta / Degree

Рисунок 10 - ДН антенной системы наземного базирования в горизонтальной плоскости

СОДЕРЖАНИЕ

V

Рисунок 12 - Коэффициенты отражения от входов антенной системы наземного базирования при их синфазном и равноамплитудном возбуждении, дБ

Выводы. Предложен подход к построению двухпозиционного радиолокатора с дополнительной приемной антенной системой, растянутой между двумя БПЛА вертолетного типа, вращающихся вокруг центра антенны. Показано, что использование однопроводных линий в качестве фидеров, возбуждающих линейные решетки проволочных вибраторов, позволяет достичь высоких значений КПД антенных систем (суммарные потери составляют не более 1 дБ), реализовать диаграмму направленности бортовой антенны с шириной главного лепестка веерной формы около 1°.

Для построения стационарной антенной системы в качестве излучателей показана перспективность использования дифракционной решетки типа «гребенка», а в качестве распределительных фидерных линий - однопроводных линий.

Разработанные антенные системы просты конструктивно, имеют малую себестоимость и массу; антенная система бортового базирования характеризуется малыми значениями аэродинамического сопротивления, благодаря ее проволочной конструкции; использование разработанных антенных систем позволит существенно снизить вероятность пропуска целей при обнаружении ударных БПЛА благодаря наличию бортовой приемной антенной системы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Банков С.Е., Курушин А.А. Электродинамика для пользователей САПР СВЧ. Москва. Солон-пресс. 2020. 316 с.

2. Weiland Т. «А discretization method for the solution of Maxwell’s equations for six-component fields», Electronics and Communications AEU, Vol. 31, No. 3, pp. 116-120, 1977.

3. Schuhmann R. and T. Weiland, «А stable interpolation technique for FDTD on nonorthogonal grids», International Journal onNumerical Modelling, Vol. 11, pp. 299-306. 1998.

СОДЕРЖАНИЕ

4. Thoma Р. and Т. Weiland, «А consistent subgridding scheme for the finite difference time domain method», International Journal ofNumerical Modelling, Vol. 9, pp. 359-374, 1996.

REFERENCES

1. Bankov S.E., Kurushin A.A. 'Elektrodinamika dlya pol'zovatelej SAPR SVCh. Moskva. Solon-press. 2020. 316 p.

2. Weiland T. «A discretization method for the solution of Maxwell’s equations for six-component fields», Electronics and Communications AE U, Vol. 31, No. 3, pp.116-120, 1977.

3. Schuhmann R. and T. Weiland, «A stable interpolation technique for FDTD on nonorthogonal grids», International Journal on Numerical Modelling, Vol. 11, pp. 299-306. 1998.

4. Thoma P. and T. Weiland, «A consistent subgridding scheme for the finite difference time domain method», International Journal of Numerical Modelling, Vol. 9, pp. 359-374, 1996.

© Проскурин Д.К., 2024

Проскурин Дмитрий Константинович, кандидат физико-математических наук, доцент, ректор Воронежского государственного технического университета, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем ВГТУ, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», Россия, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, [email protected].

СОДЕРЖАНИЕ

UDK 621.396

GRNTI47.49.29

TWO-POSITION RADAR ANTENNA SYSTEMS FOR DETECTING UNMANNED

AERIAL VEHICLES

D.K. PROSKURIN, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor

Voronezh State Technical University (Voronezh)

An approach to the construction of a two-position radar for detecting and measuring the parameters of low-flying and low-visibility targets, in particular small and medium-sized unmanned aerial vehicles, is proposed. In addition to the ground-based active radar, which includes equipment for radiation, reception and processing of echo signals, a wire-type receiving antenna system is used, located between two helicopter-type unmanned aerial vehicles and rotated in the azimuthal plane. It is shown that the use of single-wire lines as feeders exciting wire elements of a linear equidistant antenna array with a period equal to the wavelength makes it possible to implement a fan-shaped directional pattern of an on-board receiving antenna with a main lobe width in the azimuthal plane of about 1°. Estimates of losses in materials and total losses in the on-board receiving antenna and in the ground-based receiving and transmitting antenna are obtained based on the use of an electrodynamic modeling software package.

Keywords: antenna systems, radar, unmanned aerial vehicle, single-wire line.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.