CC BY
213
рить диапазон рабочих частот предложенного устройства вплоть до субмиллиметрового диапазона волн.
Литература: 1. Sukhoruchko O.N. Balanced parametric amplifier of the mm range // “International Journal of Infrared and Millimeter Waves”. 2001. Vol.22, №7. P.10471053. 2. Sukhoruchko O.N., Bulgakov B.M., Fisun A.I., and Belous O.I.. Parametric Amplification of Signals in the Short-Wave Part of MM Wave Band // Telecommunication and Radio Engineering’. 2002. Vol. 58, № 7-8. P.64-73. 3. Сухоручко O.H., Плаксий В.Т. Параметрический усилитель 5-мм диапазона // Вісник Харківського Національного Університету. Сер. Радіофізика та електроніка. 2002. № 2 (570). С. 94-96. 4. Полупроводниковые параметрические усилители и преобразователи СВЧ / Под ред. В.С. Эткина. // М.: Радио и связь, 1983. 333 с. 5. Дьяченко С.М., Зинченко С.А., КоцержинскийБ.А., ТараненкоВ.П. Использование нелинейных свойств ЛПД в устройствах миллиметрового диапазона / / Радиоэлектроника. 1983. Т. 26, № 10. С.4-18.
Поступила в редколлегию 25.12.2004
Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Булгаков Б.М.
УДК 621.396 '
МЕТОД ВВОДА КОНТРОЛЬНОГО СИГНАЛА В МОНОИМПУЛЬСНОМ ПЕЛЕНГАТОРЕ
ЗАЙЧЕНКО А.Н., СУМКИНГ.П.,
ВЕРЕЩАКА.П., ДАЛИЛИНА.Б.,
КОЛЕСНИКОВ Ю.А, ТОЛКАЧЕВ В.И.__________
Предлагается метод ввода контрольного сигнала для калибровки амплитудно-фазовых характеристик приемных и антенно-фидерных трактов моноимпульсной пеленгационной системы на базе параболической антенны с амплитудным суммарно-разностным моноимпульсным угловым дискриминатором.
1. Постановка проблемы в общем виде
Задача следящего пеленгования, т.е. задача обнаружения излучаемых сигналов, наведения антенн системы и сопровождения объекта в течение сеанса связи возникает в широком классе радиотехнических систем (радиоэлектронные и навигационные системы, системы траекторных измерений и др.).
Как показано в [ 1], наиболее широко в современных системах используются пеленгаторы с амплитудным суммарно-разностным моноимпульсным угловым дискриминатором, как менее требовательным к идентичности характеристик приемных каналов. В таких пеленгаторах сигналы с выхода антенны поступают в суммарно-разностный преобразователь, на выходе которого формируются суммарный и разностные (в обеих плоскостях) высокочастотные сигналы. Амплитуда разностного сигнала определяет значение угловой ошибки, а разность фаз между суммарным и разностным сигналами — знак угловой ошибки, т.е. направление отклонения источника излучения от равносигнального направления.
Сухоручко Олег Николаевич, канд. физ.-мат. наук, научн. сотр. ИРЭ НАН Украины. Научные интересы: физика приборов, элементов и систем, твердотельная электроника миллиметрового диапазона волн. Адрес: Украина, 61085, Харьков, ул. Ак. Проскуры, 12, тел. 744-83-08, e-mail: oniks@ire.kharkov.ua.
Фисун Анатолий Иванович, д-р физ.-мат. наук, ст. научн. сотр, ведущий научн. сотр. ИРЭ НАН Украины. Научные интересы: электродинамика открытых резонансных систем, квазиоптические твердотельные источники электромагнитных волн миллиметрового диапазона волн. Адрес: Украина, 61085, Харьков, ул. Ак. Проскуры, 12, тел. 744-83-08, e-mail: afis@ire.kharkov.ua.
Белоус Олег Игоревич, канд. физ.-мат. наук, ст. научн. сотр. ИРЭ НАН Украины. Научные интересы: электродинамика открытых резонансных систем миллиметрового диапазона волн. Адрес: Украина, 61085, Харьков, ул. Ак.Проскуры, 12, тел. 744-83-08, e-mail: obel@ire.kharkov.ua.
Существенное влияние на качество измерения угловых координат моноимпульсным методом оказывает неидентичность амплитудно-фазовых характеристик приемных и антенно-фидерных трактов системы. Этот вопрос рассмотрен в ряде работ, например [1,2]. Методы уменьшения ошибок пеленгования, обусловленных неидентичностью амплитудно-фазовых характеристик, достаточно полно и подробно описаны в [ 1]. Можно выделить два подхода к решению этой задачи. Конструкционный, охватывающий различные способы объединения приемных каналов в один, и эксплуатационнотехнологический, при котором амплитудно-фазовые характеристики приемных трактов выравниваются по контрольному сигналу с помощью предусмотренных для этого регулирующих элементов. Безусловно, все они имеют свои достоинства и недостатки. К сожалению, в ряде практически важных случаев известные решения либо не позволяют решить поставленную задачу, либо их использование имеет неприемлемые ограничения.
Цель исследования — разработка метода ввода контрольного сигнала для калибровки амплитуднофазовых характеристик приемных и антенно-фидерных трактов моноимпульсной пеленгационной системы.
2. Анализ известных решений
Вопросу калибровки и компенсации неидентичности амплитудно-фазовых характеристик приемных трактов уделяется большое внимание. Эта проблема рассматривается во многих работах, например в [14]. Можно выделить несколько подходов к ее решению.
Рассмотрим сначала возможные решения в рамках конструкционного подхода. В [1] предложено несколько возможных вариантов объединения приемных каналов. Объединение можно проводить как на высокой, так и на промежуточной частоте
РИ, 2005, № 1
31
путем коммутации, разнесения по частоте, использования фазовых сдвигов, временной задержки, кодирования или низкочастотной модуляции сигналов и др. Объединение на промежуточной частоте и разнесение по частоте подразумевает наличие в каждом канале некоторой части приемного устройства, что не позволяет исключить все имеющиеся неидентичности. Коммутация приводит к энергетическим потерям, в большинстве практических случаев это неприемлемо. Использование фазовых сдвигов ограничено возможностью объединения только двух сигналов [5]. Применение временной задержки затруднено получением элементов задержки с малыми разбросами. Наиболее приемлемыми для практической реализации являются кодирование и низкочастотная модуляция на высокой частоте.
Использование кодирования рассмотрено в [6,7]. Здесь сигнал с каждого элемента антенны модулируется ортогональным псевдослучайным сигналом, все сигналы складываются, проходят через одноканальный приемник, оцифровываются, а затем в цифровой форме демодулируются и производится дальнейшая обработка. Такое решение позволяет объединить в один канал любое количество сигналов, затем восстановить и обработать их. Однако аппаратура, реализующая такую обработку, получается более сложной, так как после кодирования спектр суммарного сигнала соответственно расширяется, и для его усиления и преобразования требуется более широкополосный приемник и устройство цифровой обработки, а для качественного восстановления сигналов необходима жесткая синхронизация по времени модулирующих и демодулирующих кодовых последовательностей.
В [ 1] рассмотрен вопрос использования низкочастотной модуляции сигналов. Структура системы аналогична описанной выше для кодирования, но, при этом, достаточно проста в настройке и стабильна в различных условиях эксплуатации. Однако, согласно [1], введение низкочастотной модуляции при объединении каналов делает систему пеленгации чувствительной к амплитудным флуктуациям принимаемых сигналов, а также уязвимой со стороны организованных амплитудно-модулирован-ных помех.
В рамках эксплуатационно-технологического подхода возможны также различные варианты решения задачи, охватывающие разные способы подачи контрольного сигнала, измерения параметров приемных трактов и введения компенсирующих воздействий. Наиболее полно они описаны в [4]. Различие в вариантах калибровки и компенсации неидентичности амплитудно-фазовых характеристик заключается в способе подачи контрольного сигнала — введение в приемный тракт через коммутатор, ответвитель и т.п., или подача на вход антенной системы через вынесенный на юстиро-вочную мачту излучатель; в способе измерения характеристик приемного тракта—введение специального измерительного тракта, включающего амплитудные и фазовые детекторы, или использова-
ние тракта основной обработки сигналов; в способе осуществления компенсации неидентичности — применение регулируемых фазовращателей и аттенюаторов, которые могут быть выполнены как в аналоговом, так и в цифровом виде, или учет в алгоритмах основной обработки сигналов.
Устройства, в которых контрольный сигнал вводится в приемный тракт через коммутатор, ответвитель и т.п., широко распространены, например [8 -14]. Этот способ достаточно эффективно позволяет калибровать и компенсировать амплитудную неидентичность трактов, а компенсация фазовой характеристики возможна лишь в случаях, когда гарантируется синфазность вводимых воздействий или длина волны намного больше электрических длин подводящих цепей — удовлетворить этим требованиям во многих практических случаях очень сложно. Кроме того, никак не учитываются цепи антенно-фидерного тракта.
Устройства, в которых контрольный сигнал подается на вход антенной системы через вынесенный излучатель, свободны от этих недостатков, например [15]. Однако все они ориентированы на построение систем, в которых вынесенный излучатель располагается в дальней зоне на юстировочной мачте. В ряде практических случаев это не приемлемо как по техническим, так и по эксплуатационно-технологическим причинам.
3. Антенна пеленгатора и метод ввода контрольного сигнала
Согласно требованиям технического задания, в рамках которого проводилась работа, пеленгатор должен иметь ширину диаграммы антенного устройства по уровню —3 дБ в S-диапазоне около 5°. Как известно, наиболее технологически простой антенной с шириной диаграммы направленности менее 10° является параболическая антенна. Согласно расчету, диаметр антенны составляет 1800 мм. В качестве облучателя антенны применен двухмодовый волноводный облучатель, обеспечивающий формирование суммарного и двух разностных (по азимуту и углу места) каналов. Для достижения высокой чувствительности пеленгаци-онного устройства каждый канал имеет свой приемный тракт с малошумящим усилителем на входе, одно из основных требований к которому — высокая идентичность и стабильность амплитудных и фазовых характеристик. Для удовлетворения этим требованиям необходимо использование дорогостоящих высокостабильных приемных устройств и обеспечение равных электрических длин трактов и идентичного теплового режима как для электронных компонентов, так и для антенно-фидерных трактов. Как показывает опыт, такие решения сложны и дорогостоящи. Предложено измерять амплитудно-фазовые характеристики приемных трактов и антенно-фидерных устройств, а результаты измерений учитывать в виде поправок при обработке сигналов.
С этой целью в раскрыве антенны размещен излучатель контрольного сигнала. Смещение элек-
32
РИ, 2005, № 1
трической оси излучателя относительно электрической оси моноимпульсного облучателя обеспечивает возбуждение на его выходе как суммарного, так и двух разностных сигналов. На рис.1 схематично показано взаимное расположение зеркала антенны 1, излучателя контрольного сигнала 2 и моноимпульсного облучателя 3.
і
3
б
Рис. 1. Схема взаимного расположения зеркала антенны 1, излучателя контрольного сигнала 2 и моноимпульсного облучателя 3: а — вид спереди; б — вид сбоку
Рассмотрим формирование указанных сигналов в одной плоскости, для примера в вертикальной. На рис.2 упрощенно изображены два канала облучателя и падающая волна контрольного сигнала.
Рис. 2. Упрощенная иллюстрация облучателя и падающей волны контрольного сигнала
Направление падающей волны из-за смещения излучателя контрольного сигнала с фокальной оси параболоида происходит под углом 0 к плоскости раскрыва облучателя. Сигналы на выходах облучателя 1 и 2 можно представить следующими выражениями:
Ui = Aisin(rot + nd/X0sin0), (1)
U2 = A2sin(rot -nd/ X0sin 0). (2)
Устройство формирования суммарного и разностного сигналов выделяет сигналы: суммарный
иs= AL sin(rot + Фі ), (3)
где
Фі = arctg[A A2 tg(rcd / X0 sin 0)] (4)
A1 + A2 ’ v '
и разностный
где
Uд = Aд sin(rot + фд),
Фд = arctg[Ai^A2tg(:rcd/Xo sin0)] Ai _ a2
С учетом того, что Ai « A2 , получаем
(5)
(6)
Дф = фі-фд«л/2. (7)
Ввиду условий размещения на конечном расстоянии излучателя контрольного сигнала и облучателя антенны (несколько длин волн) амплитуды А1 и А2 сигналов U1 и U2 не одинаковы. Однако численный анализ показал, что величина отличия не превышает 5%, при этом Дф отличается от п /2 не более чем на 3°. Это подтверждено результатами экспериментальных исследований.
Равенство амплитуд A у и A д сигналов U у и U д обеспечивается выполнением условия
2nd/XosinQ = n/2 . (8)
Обработка контрольного сигнала предусматривает процедуру демодуляции и формирования комплексных отсчетов сигналов, снимаемых с выходов суммарного и разностных каналов АУ, которая сводится к свертке принимаемых сигналов с его копией на интервале наблюдения:
Ya = J U s (t) -CTk(t)dt
Tk ,
Yk = J U д (t) A k(t)dt
Tk ,
где Tk — время накопления контрольного сигнала; a k — копия контрольного сигнала.
(9)
(10)
Определение неидентичности фазовых характеристик приемных каналов:
ДФ = arg{Y4k • Y*k>~п/2 , (11)
определение неидентичности амплитудных характеристик приемных каналов:
РИ, 2005, № 1
33
k лН^дкІ/ІУаІ. (12)
Полученные оценки могут быть использованы в алгоритмах обработки основного сигнала для компенсации неидентичности амплитудно-фазовых характеристик трактов.
4. Выводы
Научный результат работы—получен метода ввода контрольного сигнала и калибровки неидентичности амплитудно-фазовых характеристик антеннофидерных и приемных трактов моноимпульсной пеленгационной системы.
Практическая значимость полученного результата: использование описанного выше метода ввода контрольного сигнала позволяет построить моноимпульсную пеленгационную систему с раздельными приемными трактами, в которой исключено влияние неидентичности амплитудно-фазовых характеристик приемных трактов и антенно-фидерных устройств, к приемным трактам не предъявляются требования по долговременной стабильности параметров.
В ряде случаев в силу конструкционных или схемно-технических особенностей реализации имеется необходимость контролировать амплитуднофазовые характеристики приемных трактов постоянно. Ортогональность контрольного и пеленгуемого сигналов в разностных каналах существенно облегчает решение такой задачи. Однако этот вопрос выходит за рамки данной работы и может быть предметом дальнейших исследований.
Литература: 1. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М.: Радио и связь, 1984. 312 с.
2. Проблемы антенной техники /Под ред. Л.Д.Бахире-ва, Д.И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1989. 368 с.
3. Справочник по радиолокации /Под. ред. М. Сколни-ка. Нью-Йорк, 1970: Пер. с англ. (в четырех томах) под общей ред. К.Н.Трофимова. Том. 2. Радиолокационные антенны и устройства /Под ред. П.И. Дудника. М.: Сов.радио, 1977. 408 с. 4. Шишов Ю.А., Голик А.М. и др. Адаптация ФАР по результатам встроенного контроля // Зарубежная радиоэлектроника. 1990. № 9. С. 6989. 5. Патент РФ 2087005. Преобразователь сигналов для моноимпульсных радиолокаторов. Щур Ю.И., Осуль И.К., 1997. 6. Информационные технологии в радиотехнических системах: Учебное пособие / В.А. Васин, И.Б. Власов, Ю.М. Егоров и др./Под ред. И.Б. Федорова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 672 с. 7. Patent US 6384784. Direction finder system using spread spectrum techniques. Linley F. Gumm; 2002. 8. Patent US 5315304. Digital monopulse. Sam Ghaleb, Michael Stokes; 1994. 9. Patent US 4394695. Monopulse radar with
pilot signal generator. Bernard Gellekink; 1983. 10. Patent U S 4994810. Monopulse processor digital correction circuit. Allen I.Sinsky; 1991. 11. Patent US 5051752. Angle measurement compensation technique for amplitude comparison monopulse receiver. Richard L.Woolley; 1991. 12. Patent US 5808578. Guided missile calibration method. Peter F. Barbella; Malcolm F. and others. 1998. 13. Patent US 6100841. Radio frequency receiving circuit. John Toth; Michael J. Delcheccolo and others. 2000. 14. Patent US 6498582. Radio frequency receiving circuit having a passive monopulse comparator. Anthony Sweeney; Mark A. Hebeisen and others. 2002. 15. Patent US 6144333. Method for estimating gain and phase imbalance using self-calibrating monopulse angle discriminates in a monopulse radar system. Kwang M.Cho; 2000.
Поступила в редколлегию 20.12.2004
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Гомозов В.И.
Зайченко Александр Николаевич, канд. техн. наук, начальник сектора ОАО “AO Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений”. Научные интересы: измерительные радиосистемы, цифровая обработка сигналов. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Академика Павлова, 271. тел. (057) 738-20-93. Email: zaychenko@niiri.kharkov.com
Сумкин Герман Павлович, старший научный сотрудник ОАО “AO Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений”. Научные интересы: антенные устройства радиотехнических систем. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Академика Павлова, 271.
Верещак Александр Петрович, канд. техн. наук, доцент, генеральный конструктор, директор ОАО “AO Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений”. Научные интересы: измерительные радиосистемы. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Академика Павлова, 271.
Данилин Анатолий Борисович, канд. техн. наук, начальник сектора ОАО “AO Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений”. Научные интересы: измерительные радиосистемы, радиолокационные системы с синтезированием апертуры. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Академика Павлова, 271.
Колесников Юрий Александрович, инженер ОАО “AO Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений”. Научные интересы: цифровая обработка сигналов. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Академика Павлова, 271. тел. (057) 738-20-93.
Толкачев Василий Иосифович, ведущий инженер ОАО “AO Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений”. Научные интересы: измерительные радиосистемы, цифровая обработка сигналов. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Академика Павлова, 271.
34
РИ, 2005, № 1
