CC BY
12M. E. Rovkin, M. V. Krutikov, A. A. Mescherjakov, M. V. Osipov, V. A. Zaitcev Tomsk state university of control systems and radioelectronics E. Yu. Butyrin
Scientific industrial firm "Micran" (Tomsk, Russia)
Measuring complex for research of space-time distortion of radiosignals in X-band at land paths
The multipoint complex consisting from one transmitting and three receiving-measuring points is described, allowing to research space-time distortions of radiopulse signals in X-band. Characteristics of aerials, the transmitter, receivers, systems of digital registration of received signals and samples of the registered signals are presented.
Radiopulse signals, land path, space-time distortions, thin structure of signals, multipoint system, X-band
Статья поступила в редакцию 10 октября 2006 г.
УДК 621.396.96
В. П. Денисов, М. В. Крутиков, М. В. Осипов
Томский государственный университет систем управления
и радиоэлектроники
Экспериментальные данные об амплитудных и фазовых искажениях импульсных сигналов, принятых в разнесенных точках на короткой открытой трассе
Приводятся экспериментальные данные об искажениях огибающей импульсных сигналов, излученных РЛС со сканирующей направленной антенной и прошедших открытую наземную трассу, а также о внутриимпульсных флуктуациях разности фаз этих сигналов, принятых на разнесенные антенны.
Диаграмма направленности, боковое излучение, огибающая, разность фаз, искажения
Цель измерений, некоторые результаты которых изложены в настоящей статье, состояла в изучении искажений импульсных радиосигналов сантиметрового диапазона на трассах распространения для последующего использования полученных данных в задаче оптимизации пеленгационных устройств пассивных радиолокаторов.
Измерения проводились с 29 сентября по 5 октября 2003 г. на окраине г. Томска. Приемник располагался на высоком крутом берегу реки Томи, а передатчик - на противоположном низком ровном берегу. Трасса имела угол наклона к земной поверхности 2.96° при протяженности 1064 м. Принятые сигналы записывались в память ЭВМ в виде квадратурных составляющих с интервалом дискретизации 12.5 нс.
Приемная установка представляла собой фазовый двухкоординатный пеленгатор, антенная система которого состояла из шести пар полуволновых вибраторов, разнесенных между собой по осям прямоугольной системы координат симметрично относительно центра. Расстояние между парами антенн L составляло 1.6, 4 и 10^, где X - длина волны.
12 © Денисов В. П., Крутиков М. В., Осипов М. В., 2006
Аппаратура позволяла одновременно регистрировать сигналы с четырех антенн. После обработки в память ЭВМ записывались мгновенные значения огибающей импульсов на выходе каждой антенны и разностей фаз между сигналами. Более подробно приемная установка, за исключением антенной системы, описана в статье М. Е. Ровкина, М. В. Крутикова, А. А. Мещерякова и др.1.
Высота приемной антенной системы над землей составляла 5.05 м. Антенная система была ориентирована на передатчик. Источником излучения служила РЛС наведения, имеющая следующие тактико-технические характеристики: длина волны 3 см, длительность импульса 300 нс, частота повторения импульсов 2 кГц, ширина главного лепестка диаграммы направленности (ДН) антенны по уровню 0.7 составляет 3°. РЛС работала в режиме кругового обзора. Высота антенны передатчика над земной поверхностью 3.92 м. В процессе эксперимента угол места (УМ) оси антенны над горизонтом устанавливался равным 0; 3; 6 или 9°. Использовалось излучение с вертикальной поляризацией.
Несмотря на то, что трасса распространения радиоволн была короткой и между приемным и передающим пунктами имелась прямая оптическая видимость, отражения радиоволн от местности вблизи установки передатчика и от крутого берега реки, на котором был установлен приемный пункт, привели к существенным амплитудным и фазовым искажениям сигналов.
Цифровая регистрация сигналов производилась во временном окне, начало которого задерживалось на целое число тактов АЦП системы регистрации относительно начала излучения импульса передатчика с помощью специальной системы синхронизации. Длительность такта составляла 12.5 нс. При исследовании искажений сигналов начало окна регистрации принималось за начало отсчета по временной оси, а время измерялось числом тактов АЦП относительно начала окна. На приведенных далее рисунках N - количество тактов АЦП относительно начала окна регистрации, т. е. временной интервал равен 12.5N нс .
На рис.1 и 2 приведены примеры синхронной записи огибающих сигналов с выходов четырех антенн, разнесенных в горизонтальной плоскости. Разнос между средними антеннами составлял 1.6^, а между крайними - 4А,. На рис. 1 представлены примеры огибающих принятого импульсного сигнала при облучении главным лепестком ДН передающей антенны, на рис. 2 - боковым. Ось ДН в обоих случаях ориентирована под нулевым УМ. Из графиков видно, что при приеме излучения основного лепестка ДН РЛС сиг-
1 См. наст. вып. журн., с. 7-12.
Дф, ...°ги, В
Аф, ГП, В
- 120 -0.18
- 180-
- 180 - 90
120 - 0.54
0 -0.36
- 180 - 90 0 90 0, Рис. 3
о
Рис. 4
0
90
0
о
налы приблизительно сохраняют трапециевидную форму и мало изменяются от одного канала к другому. О сигналах бокового излучения этого сказать нельзя: они могут быть сильно искажены и существенно различаться в разных каналах.
На рис. 3 и 4 представлены зависимости амплитуд сигналов на выходе одной из антенн и и разности фаз сигналов на выходах разнесенных в горизонтальной плоскости антенн Аф от углового положения антенны сканирующего источника в горизонтальной плоскости для различных моментов времени относительно начала импульса (номера такта АЦП): на рис. 3 - для второго такта, на рис. 4 - для семнадцатого. Разнесение приемных антенн составляло 10Х, УМ передающей антенны - 9° . Угловое положение передающей антенны в горизонтальной плоскости 9 отсчитывалось от направления на приемный пункт.
Зависимость амплитуды сигнала от углового положения антенны передатчика на рис. 3 и 4 представляет собой ДН его антенны, искаженную отражениями радиоволн от подстилающей поверхности. Отражения от различных точек поверхности приходят на приемные антенны с различным временным запаздыванием относительно прямого сигнала. Поэтому диаграммы на рис. 3 и 4 существенно отличаются друг от друга. Тем не менее каждая из них имеет четкий главный лепесток, а также три правых и три левых узких боковых лепестка. Ширина главного и узких боковых лепестков по уровню 0.7 примерно одинакова и составляет 3°. Помимо главного и узких боковых лепестков существуют еще два широких боковых лепестка диаграммы, отстоящие от максимума на ±90°. Ширина этих лепестков составляет 36° по уровню 0.7. Наличие подобных лепестков характерно для ДН антенны Кассегрена, примененной в данной РЛС. Как показали измерения, уровень бокового излучения снижается при уменьшении наклона оси антенны передатчика в горизонтальной плоскости. При УМ оси 9° максимум бокового излучения ниже главного максимума диаграммы примерно на 11 дБ, а при нулевом УМ разница достигает 19 дБ.
Разность фаз в разнесенных приемных антеннах сильно изменялась при сканировании антенны источника излучения. Можно выделить "быстрые" и "медленные" флуктуации разности фаз. Под "быстрыми" флуктуациями понимались броски разности фаз в пределах ±п, происходящие в пределах двух-трех последовательно принятых импульсов, что соответствовало повороту передающей антенны на 0.1-0.2° по азимуту. Зависимость величины отклонения разности фаз от угла поворота передающей антенны не выявлена. "Быстрые" флуктуа-
2 За начало импульса принималось положение его переднего фронта на уровне шума при наведении передающей антенны по азимуту на приемный пункт. 14
ции являлись случайным процессом с нулевым средним значением. "Медленные" флуктуации проявлялись на интервале сканирования излучающей антенны пять и более градусов, причем их интенсивность возрастала с увеличением запаздывания от начала импульса.
"Быстрые" флуктуации соответствовали облучению пеленгатора минимумами ДН передатчика. Можно считать, что они являлись результатом интерференции прямого и переотраженных сигналов. Незначительное перемещение ДН антенны передатчика приводило к резкому изменению фаз интерферирующих сигналов, причем в разнесенных антеннах эти изменения происходили не одновременно. В результате возникали интерференционные скачки амплитуды сигнала и скачки разности фаз, доходящие до ±п. Шумы приемной аппаратуры на эти флуктуации влияли незначительно, поскольку на исследуемой трассе отношение сигнал/шум в интерференционных минимумах было, как правило, достаточно велико.
Можно считать, что "медленные" флуктуации разности фаз также являлись результатом интерференции прямой и переотраженных волн, о чем свидетельствовали синхронные с ними изменения амплитуды принимаемых сигналов.
Из анализа рис. 3 и 4 можно выделить положения антенны передатчика, характеризующиеся значительным изменением разности фаз. Этот эффект наблюдался, когда пеленгатор облучался дальними боковыми лепестками или задним лепестком ДН антенны передатчика. Такой результат объясним: прямой сигнал мал, а отражения от участков местности, облучаемых главным лепестком ДН, относительно велики.
На рис. 5-8 приведены зависимости среднего значения ин и СКО а огибающей принятого радиоимпульса, нормированной к ее максимуму, от номера такта АЦП для разных положений антенны передатчика в азимутальной плоскости: на рис. 5 и 6 - для главного ле-
пестка ДН излучающей антенны (±1.5° относительно направления на приемный пункт); на рис. 7 и 8 - для дальних боковых и заднего лепестков (160...260° относительно указанного направления). Графики построены для УМ передающей антенны 9°.
Из рис. 5 и 7 следует, что принятый импульс имел пологий передний фронт, слабовыра-женную вершину и пологий задний фронт. Импульс начинался с 28-го такта. Длительность импульса, излученного передатчиком, составляла 300 нс (25 тактов АЦП), следовательно, прямой импульс должен заканчиваться на 53-м такте. Однако импульс затягивался на 10.15 тактов в зависимости от положения антенны передатчика. Это говорит о том, что на исследуемой трассе наиболее мощные отраженные сигналы отставали от прямого сигнала на 120.180 нс.
Для дальних боковых и задних лепестков ДН (рис. 7) максимальное значение усредненной нормированной огибающей меньше единицы. Отсюда следует, что максимальное значение отдельных реализаций огибающей приходилось на разные такты.
При облучении пеленгатора главным лепестком ДН антенны передатчика максимум усредненной огибающей приходился на 37-й - 40-й такты АЦП в зависимости от УМ излучающей антенны. При облучении задним лепестком ДН максимум смещался на 43-й -45-й такты. Следовательно, отражения от ровной местности, находящейся за передатчиком, вносили заметный вклад в искажения принимаемых сигналов.
Зависимости СКО нормированной огибающей (см. рис. 6 и 8) имели два выраженных подъема, приходящихся на фронты принятого импульса. Большая величина СКО огибающей во время переднего фронта обусловлена шумами радиоприемного устройства, а во время заднего фронта - тем, что прямой сигнал закончился и принимался результат интерференции переотражений, совокупность которых менялась вследствие сканирования передающей антенны.
В целом из экспериментального материала можно сделать следующие выводы относительно флуктуаций огибающей.
При облучении пеленгатора главным лепестком ДН антенны передатчика на трассе прямой видимости в средней части импульса искажения малы. Отношение флуктуаций мгновенного значения огибающей к ее среднему значению не превышало 0.02. Однако в пределах длительности переднего фронта импульса или после его окончания это отношение возрастало до 0.5. По мере отклонения антенны источника излучения от направления на пеленгатор это отношение также возрастало: при облучении пеленгатора задними лепестками ДН антенны передатчика в средней части импульса оно составляло 0.25.
При равновероятной ориентации ДН передающей антенны в пределах 360° усредненное отношение СКО флуктуаций огибающей к их среднему значению в средней части импульса равнялось 0.25.0.3.
На рис. 9-12 приведены зависимости среднего значения Дф и СКО ст^ разности фаз
на антеннах, разнесенных в горизонтальной плоскости на 10^: на рис. 9 и 10 - для главного лепестка ДН излучающей антенны, на рис. 11 и 12 - для дальних боковых и заднего лепестков. Графики построены для УМ излучающей антенны 0°3.
3 Разности фаз измерялись относительно внешнего генератора, антенна которого устанавливалась на оси
симметрии антенной системы пеленгатора. 16
Аф,
0
-20
-40 -60
\
40 0
45 Рис. 9
25
35
45 Рис. 10
55
N
Аф,
-10
45 55 N 25 35 45
Рис. 11 Рис. 12
Как видно из рис. 9, среднее значение разности фаз при облучении пеленгатора главным лепестком ДН антенны передатчика мало изменялось на протяжении излучения импульса (28-й - 53-й такты). СКО разности фаз в пределах длительности импульса не превосходило 20° (рис. 10).
При облучении пеленгатора боковыми и задним лепестками ДНА среднее значение разности фаз изменялось на протяжении импульса (рис. 11). Это можно объяснить сменой участков местности, облучаемых главным лепестком ДНА, дающих запаздывающие отражения. СКО разности фаз имело тенденцию увеличиваться с ростом номера такта, что свидетельствовало о возрастании мощности рассеянных сигналов по отношению к прямому. Так, на рис. 12 наименьшее СКО, равное 20°, приходится на 30-й и 31-й такты, что соответствует переднему фронту импульса. За пределами переднего фронта СКО достигало 50°.
При равновероятной ориентации ДН передающей антенны в пределах 360° среднее значение разности фаз изменялось на 7...15° во время излучения импульса, а СКО разности фаз изменялось на 20.70° за это же время. За пределами импульса фазовые флуктуации возрастали.
На рис. 13 приведена зависимость СКО разности фаз от разноса антенн (базы) пеленгатора Ь, полученная усреднением за полный оборот сканирующей передающей антенны по азимуту при различных УМ. Разность фаз измерялась на втором такте АЦП от начала импульса. В пределах 10Х наблюдалась тенденция к линейной зависимости СКО от базы.
10 5
Рис. 13
О
О
С7
V
о
и
В целом по результатам эксперимента можно сделать вывод, что сигналы сканирующего источника излучения на трассах прямой радиовидимости существенно искажаются, что необходимо учитывать при проектировании разнесенных радиолокационных систем.
V. P. Denisov, M. V. Krutikov, M. V. Osipov
Tomsk state university of control systems and radioelectronics
Experimental data concerning amplitude and phase distortions of pulse signals received from the open short paths at diversed points
Experimental data about envelopes of pulse signals transmitted by the scanning radar with a directed antenna and passed over the open terrestrial path as well as about in-pulse phase shift fluctuations of the signal received by the diversed antennas are given.
Direction diagram, lateral radiating, envelope, phase shift, distortions
Статья поступила в редакцию 10 октября 2006 г.
УДК 621.396.96
Б. П. Дудко, А. А. Мещеряков
Томский государственный университет систем управления
и радиоэлектроники
Влияние позиции на формирование бокового излучения диаграммы направленности сканирующей антенны
Отражение радиоволн от подстилающей поверхности и местных предметов приводит к образованию в месте приема "кажущейся" диаграммы излучения сканирующей антенны. Представлены экспериментальные материалы, введена классификация позиций излучающих антенн и определены числовые характеристики "кажущегося" бокового излучения антенн для каждого класса.
Позиция РЛС, диаграмма направленности антенны, боковое излучение, классификация качества позиции и характеристик бокового излучения
Большая насыщенность радиодиапазона излучающими средствами требует решения задач электромагнитной совместимости (ЭМС). Это предполагает оценку излучения передающей антенны не только в пределах основного лепестка диаграммы ее направленности (ДН), но и в направлениях ближнего и дальнего боковых излучений. Особые расчетные трудности возникают при анализе работы излучающих средств, действующих в режиме секторного или кругового сканирования антенны в горизонтальной плоскости. Типовым примером таких средств являются радиолокационные станции (РЛС) при наличии вблизи позиции РЛС местных отражающих объектов.
В настоящей статье представлены материалы, позволяющие оценить уровень сигнала бокового излучения сканирующей антенны РЛС УВЧ- и СВЧ-диапазонов в зависимости от качества (класса) позиции РЛС.
18 © Дудко Б. П., Мещеряков А. А., 2006
