CC BY
13Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2006. Вып. 6======================================
УДК 537.86, 537.87, 621.371.3: 551.510.52
М. Е. Ровкин, М. В. Крутиков, А. А. Мещеряков, М. В. Осипов,
В. А. Зайцев
Томский государственный университет систем управления
и радиоэлектроники Е. Ю. Бутырин Научно-производственная фирма "Микран" (г. Томск)
Измерительный комплекс для исследования пространственно-временных искажений радиосигналов трехсантиметрового диапазона на наземных трассах
Описан многопозиционный комплекс, состоящий из одного передающего и трех приемоизмерительных пунктов, позволяющий исследовать пространственно-временные искажения радиоимпульсных сигналов трехсантиметрового диапазона. Приведены характеристики антенн, передатчика, приемников, системы цифровой регистрации принимаемых сигналов и образцы зарегистрированных сигналов.
Радиоимпульсные сигналы, наземная трасса, пространственно-временные искажения, тонкая структура сигналов, многопозиционная система, трехсантиметровый диапазон
Комплекс аппаратуры предназначен для измерения параметров радиоимпульсных сигналов трехсантиметрового диапазона на наземных трассах протяженностью 2...40 км. Он включает в себя мобильные пункты: один передающий и три приемоизмерительных. Комплекс создан в НИИ радиотехнических систем Томского университета систем управления и радиоэлектроники в 1998-2005 гг.1.
Источником радиоизлучения является РЛС, излучающая радиоимпульсы мощностью 200 кВт длительностью 300 нс с частотой повторения 2 кГц на несущей частоте 9 000.9 500 МГц. Осесимметричная зеркальная передающая антенна с усилением 30 дБ снабжена механическими приводами, управляющими ее угловым положением по азимуту и по углу места. Облучатель антенны выполнен в виде открытого прямоугольного волновода и обеспечивает коническое сканирование. Возможна работа РЛС в режиме кругового сканирования антенны по азимуту с плавно регулируемым периодом обзора в пределах 8.60 с. РЛС размещается на автомобиле (рис. 1).
Один из трех приемоизмерительных пунктов комплекса является ведущим, два других пункта - ведомыми. В ведущем приемном пункте помимо приема и регистрации радиоимпульсных сигналов осуществляется накопление экспериментальных данных.
В ведущем пункте размещается также центральный пост локальной системы синхронизации всех пунктов комплекса. Эта система обеспечивает формирование синхрон-
1 См. наст. вып. журн., с. 3-4.
© Ровкин М. Е., Крутиков М. В., Мещеряков А. А., Осипов М. В., Зайцев В. А., Бутырин Е. Ю., 2006 7
Рис. 1
ных временных шкал в разнесенных пунктах комплекса, а также осуществляет обмен сообщениями (командами) между ними. Носителем единой временной шкалы и сообщений является сложный широкополосный сигнал дециметрового диапазона. Аппаратура приемоизмерительных пунктов размещается на легких гусеничных тягачах.
Антенная система ведущего приемо-измерительного пункта состоит из двух антенных решеток. Основной является горизонтальная линейная решетка, содержащая четыре направленных элемента (рис. 2). Антенный элемент основной решетки представляет собой остронаправленную зеркальную антенну диаметром 600 мм, имеющую осесимметричную диаграмму направленности с шириной главного лепестка 3° и усиление 31 дБ. На рис. 3 показан внешний вид антенного элемента основной решетки ведущего приемоизмерительного пункта со стороны апертуры антенны (рис. 3, а) и со стороны его выходов со смонтированными на них приемно-преобразовательными модулями (рис. 3, б). Каждый элемент решетки обеспечивает прием волн вертикальной и горизонтальной поляризаций с развязкой не хуже -23 дБ в частотном диапазоне комплекса и имеет два выхода (рис. 3, б). Разнесение между фазовыми центрами пары крайних антенных элементов решетки по горизонтали составляет 4 200 мм, пары центральных - 1 800 мм.
Вторая, вспомогательная антенная решетка ведущего приемоизмерительного пункта содержит четыре слабонаправленных антенных элемента, расположенных крестообразно с разнесением фазовых центров по его осям, равным 10 длинам волн. На рис. 4 приведен внешний вид вспомогательной антенной решетки со стороны приемных апертур (рис. 4, а) и с обратной стороны (рис. 4, б). Возможна только попеременная работа антенных решеток ведущего приемного пункта.
Антенные системы ведомых приемо-измерительных пунктов состоят из двухэлементных горизонтальных антенных решеток с остронаправленными элементами, идентичными элементам ведущего пункта (рис. 3), фазовые центры которых разнесены на 1 800 мм по горизонтали.
Приемные устройства пунктов комплекса многоканальные: восемь каналов в центральном и четыре - в периферийных
Рис. 2
Рис. 3
пунктах. Отдельные каналы собраны по супергетеродинной схеме с относительно высокой промежуточной частотой (450 МГц) и с широкополосным аналоговым квадратурным демодулятором на выходе. Многоканальные приемники имеют общие для всех каналов гетеродин СВЧ и опорный гетеродин квадратурных демодуляторов, которые представляют собой синтезаторы частоты с однопетлевой ФАПЧ, стабилизированные по частоте опорными кварцевыми генераторами. Поэтому имеется возможность измерять не только модули огибающих радиосигналов в каждом приемном канале, но и их квадратурные компоненты относительно единого опорного колебания. Это позволяет оценивать комплексные огибающие сигналов и разности их аргументов, т. е. измерять разности фаз между сигналами, принимаемыми антенными элементами линейной решетки, в том числе между их поляризационными компонентами.
Приемные тракты имеют высокую чувствительность (коэффициент шума не более 2 дБ) и широкий динамический диапазон (100 дБ), который обеспечивается цифровой АРУ [1]. Регулировка усиления приемного тракта производится двумя аттенюаторами в усилителе промежуточной частоты, обеспечивающими диапазон регулирования 62 дБ, и ступенчатым аттенюатором в тракте СВЧ, снижающим усиление на 25 и 50 дБ. Управление аттенюаторами производится ЭВМ после оценки уровня принятого сигнала по данным очередного зарегистрированного кадра.
======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2006. Вып. 6
Видеосигналы квадратурных компонентов с выходов приемников поступают на входы многоканальных быстродействующих АЦП , момент преобразования которых синхронизирован общим для всех каналов сигналом с частотой 80 МГц. Конструктивно АЦП представляют собой четырехканальные платы расширения, смонтированные в управляющих ЭВМ
комплекса. АЦП имеют буферную оперативную память емкостью 216 отсчетов [2].
Приемоизмерительная система позволяет оценивать уровень принимаемых сигналов с абсолютной точностью не хуже 1 дБ/Вт и с разрешением не хуже 0.5 дБ. Точность оценивания разности фаз составляет 1.5° при отношении сигнал/шум не менее 20 дБ.
Приемоизмерительная система каждого пункта позволяет регистрировать временные отрезки (кадры) комплексных огибающих обоих поляризационных компонентов поля в раскрывах антенн и сохранять их в памяти ЭВМ.
Регистрацию с преобразованием масштаба времени возможно вести с периодичностью, определяемой пропускной способностью интерфейсов связи АЦП с ЭВМ и продолжительностью кадра. Длительность кадра регулируется в пределах 2...216 отсчетов ( 0.025...819.2
мкс). Возможна регистрация не всей последовательности кадров, а только их части с периодическим пропуском, что оправданно при приеме сигналов, параметры которых относительно медленно изменяются во времени. Параметры типичного режима регистрации 16-канального АЦП следующие: емкость кадра регистрации 128 отсчетов, его длительность 10 мкс, период регистрации 15 мс. При сканировании антенны передат-
0.5
0
- 0.5 - 1
0.4
0
0.4 ■ 0.8
0.25
0.5 а
0.25
0.5 в
0.75
0.75
(, мкс
t, мкс
и, мВ
0.5 0
- 0.5 - 1
и, мВ 0.5 0
- 0.5 - 1
0.25
0.5 б
0.75
0.25
0.5
г
0.75
t, мкс
/, мкс
Рис. 5
0
0
0
0
2 В центральном пункте используется. 16-канальный, в периферийных - восьмиканальные АЦП.
10
Рис. 6
чика по азимуту с периодом 60 с соседние кадры регистрации соответствуют угловым положениям ее диаграммы направленности, отличающимся на 6'.
Начальные моменты всех кадров, зарегистрированных в разнесенных приемоизмери-тельных пунктах комплекса, и момент излучения радиоимпульса передающим пунктом привязаны к единой временной шкале. Это дает возможность исследовать вариации не только разности моментов приема сигналов пунктами комплекса, но и самих моментов приема.
На рис. 5 приведены образцы квадратурных компонентов радиоимпульсных сигналов с вертикальной (сплошные линии) и горизонтальной (штриховые линии) поляризациями, излученных передающим пунктом на вертикальной поляризации и зарегистрированных элементами линейной антенной решетки ведущего приемоизмерительного пункта: антенна 1, вертикальная поляризация (рис. 5, а); антенна 1, горизонтальная поляризация (рис. 5, б); антенна 2, вертикальная поляризация (рис. 5, в); антенна 2, горизонтальная поляризация (рис. 5, г).
На рис. 6 приведен образец огибающих пачек радиоимпульсов, излученных РЛС передающего пункта в течение одного периода кругового сканирования антенны по азимуту, принятых в трех пространственно-разнесенных приемоизмерительных пунктах комплекса. По измеренным комплексным огибающим возможно оценить не только амплитуды, но и разности фаз между сигналами любой поляризации, принятыми любыми элементами решетки.
Достигнутое разрешение по времени (12.5 нс) позволяет исследовать тонкую структуру временных откликов канала распространения радиоволн, например изменение текущей фазы, и, в конечном итоге, оценивать импульсные реакции совокупности этих каналов в многопозиционной наземной радиотехнической системы трехсантиметрового диапазона.
Библиографический список
1. Многоканальный приемно-измерительный тракт 3-см диапазона с расширенным динамическим диапазоном / М. Е. Ровкин, М. В. Осипов, Е. Ю. Бутырин, М. В. Крутиков // 2-я всерос. науч.-техн. конф. по проблемам создания современной авионики, март 2003, Томск: Тр. конф. Томск: Изд-во ТУСУР, 2003. С. 227-229.
2. Бутырин Е. Ю., Ровкин М. Е., Хлусов В. А. Многоканальные быстродействующие АЦП для измерений параметров сигналов в поляриметрической РЛС // 2-я всерос. науч.-техн. конф. по проблемам создания современной авионики, март 2003, Томск: Тр. конф. Томск: Изд-во ТУСУР, 2003. С. 224-226.
M. 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
