CC BY
97
2005
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника
№ 87(5)
УДК 621.317.023:621.396.6
НАЗЕМНЫЙ КОНТРОЛЬ АМПЛИТУДНО - ФАЗОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКОВ АНТЕННЫ ГЛИССАДНОГО РАДИОМАЯКА СП-90
Е.Е. Нечаев, М.В. Качалкин
Описывается применение вибрации для контроля АФР токов антенны глиссадного радиомаяка СП - 90.
Глиссадный радиомаяк (ГРМ) предназначен для обеспечения на борту самолета сигналов о его местоположении относительно оси взлетно-посадочной полосы в вертикальной плоскости на конечном этапе захода на посадку и во время посадки в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах.
Для контроля характеристики излучения ГРМ при техническом обслуживании применяется метод облетов, который достаточно дорогостоящий и требует привлечения специального самолета - лаборатории.
В данной статье рассматривается возможность использования вибрации измерительной антенны для уменьшения отраженного от земли помехового сигнала, что позволяет при восстановлении амплитудно-фазового распределения (АФР) токов антенны ГРМ уменьшить погрешность его определения.
Применение вибрации при решении различных технических задач, связанных с излучением и приемом электромагнитных волн, известно. Так, в [1, 2] описывается измерительная СВЧ установка, где «подкраска» отраженного луча осуществляется путем вибрации одного из элементов измерительной установки. В работах [3, 4] рассматриваются возможности применения вибрации для технических задач, связанных с линейными и угловыми перемещениями конструкций, а в [5.. .8] приведены технические решения с применением вибрации к задачам излучения и приема электромагнитных волн.
Одним из путей решения поставленной задачи уменьшения помехового сигнала, отраженного от земли, является определение оптимального расстояния между излучающей антенной ГРМ и контрольно-измерительной антенной (КИА). Целью определения оптимального расстояния между антеннами является минимизация уровня отраженного от земли сигнала для получения максимального отношения сигнал/шум (С/Ш). Для решения данной задачи воспользуемся моделью, представленной на рис. 1.
Модель состоит из двух действительных антенн ГРМ (А1, А2), расположенных на высотах Ь1 и Ь2, и двух мнимых антенн, размещенных зеркально относительно земли (А3, А4), а также контрольно-измерительной антенны (КИА), установленной на высоте Ь3. Через г1, г2, г4, г5 обозначены расстояния от соответствующих антенн до КИА.
В глиссадном радиомаяке использована горизонтальная поляризации поля, для которой характерно то, что плоскость поляризации перпендикулярна плоскости падения (рис. 2). При этом коэффициенты отражения Я и преломления Т определяются из следующих формул:
_ Бт(ф) - д/е - соб 2(ф) п (ф) + д/е- С О Б2 (ф)
(1)
т _
2 • Бт(ф)
п (ф) + ^ е - СОБ2 (ф)
(2)
где е - относительная диэлектрическая проницаемость земли,
ф - угол скольжения электромагнитной волны (ЭМВ) (рис.2).
Рис. 2. Расположение плоскости поляризации ЭМВ
Прямой сигнал, приходящий на КИА от передающей антенны ГРМ, может быть описан следующим соотношением:
Е,,р = ^60'°"'Р ^(0,.)• е
-------"-£-• р(0, )• е<) (3)
К
,
где Б„ - КНД антенны глиссадного радиомаяка;
Ре - излучаемая мощность;
г; - расстояние от антенны ГРМ до КИА;
к = 2 • К /1 - волновое число, е( ^ к г' ) - фазовый множитель.
р(0 ) = 1 + СО§(0<■)
р (0.) = —2— ■ (4)
ДН, учитывающая влияние рефлектора антенны ГРМ.
В тоже время выражение для напряженности электрического поля отраженного от земли сигнала имеет вид:
Е отр = V60 Вп'РЪ ^ р (0 )^ К(у )^ е( к • г, ), (5)
Г '
где из вновь приведенных множителей: Щ^) - коэффициент отражения от земли; г - расстояние от мнимого изображения антенны ГРМ до КИА.
Ограничим минимальную дальность установки КИА ближней границей дальней зоны излучения ГРМ. Рассматривая отношение прямого сигнала к отраженному в рамках введенного ограничения, получим график (рис.3.), где по максимуму отношения С/Ш можно определить место установки КИА.
С/Ш
г
Рис. 3. Определение места установки КИА
Проведенный выбор места установки контрольно-измерительной антенны позволяет уменьшить влияние отраженного от земли сигнала, т.е. снизить уровень помех. Однако возможно и дальнейшее улучшение соотношения сигнал/помеха. Для этого и применяется вибрация контрольно-измерительной антенны.
В наиболее простом виде рассматриваемая задача при вибрации КИА может быть исследована на модели, приведенной на рис. 4а, где прямой луч обозначен АВ, а отраженный от земли луч - АСВ.
КИА подвергается гармонической вибрации в направлении оси Ъ (рис. 4б), т.е. в направлении, перпендикулярном направлению прямого луча АВ (рис. 4а). Перемещение измерительной антенны можно описать уравнением следующего вида
г = й - бш(^), (6)
где ё - величина максимального перемещения КИА вдоль оси Ъ;
О - круговая частота вибрации.
ГРМ
КИА
У V
W
> Y ' V.
Z
/ > > f Z
б
а
Рис. 4. Исследуемая модель: а - геометрия прямого и отраженного лучей; б - направление движения КИА при гармонической вибрации
Для горизонтально поляризованного электромагнитного поля антенны глиссадного радиомаяка, т.е. для составляющей электрического поля Ехп, запишем следующее выражение в раскрыве КИА.
Ехп = exp[j(wt-kycos0-kdsin0 • sinWt)], (7)
где w - круговая рабочая частота радиомаяка;
k = 2p /1 - постоянная распространения электромагнитной волны;
0i - угол падения ЭМВ на апертуру измерительной антенны.
Как следует из (7), полная фаза ЭМВ может быть представлена в виде
Фi = wt - ky cos 0 - kz sin 0. (8)
В рамках двухлучевой модели для одной зеркально отражающей точки на поверхности земли угол падения 0i может быть рассчитан из соотношения
tg0i = (hi + h2)/ r, (9)
где hi и h2 - высота антенны радиомаяка и измерительной антенны соответственно; r - расстояние между антеннами (рис. 4а).
Составляющая Ехп в рамках новых обозначений может быть записана в виде
Exn = exp[ j(wt - m sin Wt + a)], (Ю)
где a = -ky cos 0 ; m = kd sin 0,
Из (10) следует, что в апертуре измерительной антенны содержатся колебания не только рабочей частоты w, но и колебания с частотами йш= w + nW (n - любое целое число).
Таким образом, из (10) видно, что структура колебаний имеет вид колебаний с гармонической угловой модуляцией, а само выражение может быть представлено в виде разложения в ряд Фурье
¥
Exn = е1 w+a) £ Jn, (mj, (11)
n = -¥
где Jn (m) - функция Бесселя первого рода n-го порядка от аргумента “m”.
Итак, при угловой модуляции ЭМВ, которая осуществляется гармонической вибрацией измерительной антенны, спектр колебания состоит из бесконечного числа боковых составляющих, расположенных попарно симметрично относительно рабочей частоты, а частоты боковых составляющих отличаются от w на nW. Амплитуда n-й боковой составляющей an пропорциональна Jn(m), что позволяет сделать вывод о том, что вклад различных составляющих в суммарную мощность сигнала, принятого измерительной антенной, определяется величиной “m”.
Моделирование и расчет спектра принимаемого КИА сигнала показали следующее. При значении m = 0 (это соответствует сигналу, поступающему на измерительную антенну по прямому лучу АВ (рис. 4а)) спектр содержит только одну гармонику (рис. 5а).
При увеличении m, что связанно с приемом отраженного от земли сигнала, спектр превращается в дискретный. При малых индексах модуляции он напоминает спектр амплитудно-модулированных колебаний (рис. 5б,в).
Для значений индекса модуляции 2 < m < 3 наблюдается значительное снижение амплитуды на рабочей частоте (рис. 5г,д,е). Это свидетельствует о том, что при определенных значениях перемещения “d” при вибрации измерительной антенны возможно эффективное подавление отраженного от земли помехового сигнала (более чем на 20дБ) (рис. 5ж).
Таким образом, на вход КИА (рис. 4а) в рамках двухлучевой модели, учитывающей отражения от земли, поступают два сигнала. Поскольку КИА подвергнута вибрации в направлении, перпендикулярном направлению распространения прямого сигнала (0i=0), то этот сигнал не является модулированным и его спектр содержит единственную гармонику рабочей частоты. В свою очередь спектр сигнала, отраженного от земли, представляет собой спектр колебания с гармонической угловой модуляцией. При определенных значениях индекса модуляции (2 < m < 3) амплитуда колебания на рабочей частоте значительно подавлена. Поэтому, выбирая значения параметров гармонической угловой модуляции “d” и “W”, можно значительно снизить уровень отражений от земли на рабочей частоте ГРМ.
______s>_____2______2_______2______£_
2.9999 2.9999 3
m=1.5
Т У ? У 9 9 Ф ___
3 3.0001 3.0001 3.0001 Ш
2.9999 2.9999
m=2
_ї________ї_______£_______2_______2_
m=2.5
2-0999 2.9999 2.9999 З
_<5_________I_________£_
'3.0001. 3.0001 3.0001
3-0001 3.0001 3.0001
% 108
m=3
.2 9999 .2.9.999 2.9999
ЛІР
Рис. 5
б
a
в
д
е
Рассмотрение 2-х и 3-точечных моделей (рис.6, 7) для отраженного от земли сигнала дает следующее.
♦
Рис. 7
♦
а
И2
Зная оптимальное расстояние установки контрольной антенны, необходимо найти площадь поверхности земли, эффективно влияющую на условия распространения электромагнитной волны. Эта поверхность будет иметь форму эллипса, оси которого находятся по формулам:
В
ИЗ2 + (|)2 -Л
(12)
2-л ИЗ2 + (|)2
А
ИЗ2 + (|)2 - В
В2 + ИЗ2 + (^)2 - 2 -
ИЗ
я
(1З)
Антенна радиомаяка излучает электромагнитную волну, которая, распространяясь в пространстве, попадает в КИА двумя способами: первый - по прямому лучу АВ, второй - по отраженному от земли лучу АОВ и АО'В (рис.6), или АА'В, АОВ, АА''В (рис.7). Затем эти сигналы суммируются в контрольной антенне. Точки, в которых происходит отражение от земли, О, О' и А', А'' (рис. 6, 7) - крайние точки на эллипсе, ограничивающем поверхность, эффективно влияющую на распространение электромагнитной волны. Точка О на рис.7 соответствует центру эллипса.
Моделирование проводилось для различных типов почв с различной относительной диэлектрической проницаемостью 2 < е <8.
Расчет спектра принимаемого КИА сигнала показал следующее. При изменении коэффициента отражения от земли в пределах 0.55 < |Я| < 0.75 отношение С/Ш на рабочей частоте для 2-точечной модели изменяется в пределах от +53,5 дБ до +52,1 дБ (рис.8.), а для 3-точечной модели от +51,5 дБ до +44,5 дБ (рис. 9).
Таким образом, применение вибрации КИА и правильный выбор места ее установки позволяют добиться подавления отраженного от земли сигнала на уровне - 20...-45 дБ и измерить напряженность поля, создаваемого антенной ГРМ, без помехового сигнала. В процессе восстановления АФР токов антенны ГРМ именно эти «очищенные» от помех результаты измерений и должны быть использованы.
54
С /Ш, дБ
52
50
48
46
44
IR IR
Рис. 8 Рис. 9
ЛИТЕРАТУРА
1. Нечаев Е.Е., Качалкин М.В. Применение вибрации для наземного контроля излучения глиссадного радиомаяка СП-90//Научный вестник МГТУГА, серия “Радиофизика и радиотехника”, №62. 2003. С. 108-113.
2. Widrow B., Duvall K.M., Gooch R.P., Newman W.C. Signal cancellation phenomena in adaptive antennas: causes and cures. IEEE Trans, 1980, v. AP - 30, № 3, p.469-478.
3. Ах. 1742616 (СССР) / Нечаев Е.Е. Устройство для измерения перемещений. Опубл. в Б.И. №23, 1992.
4. А.с. 1682773 (СССР) / Нечаев Е.Е. Способ измерения угловых перемещений конструкций. Опубл. в Б.И. № 37, 1991.
5. А.с. 1712899 (СССР) / Б.А. Акишин, Е.Н. Воронин, Г. А. Морозов, Е.Е. Нечаев, Ю.В. Седельников. Устройство для определения фазового центра антенны. Опубл. в Б.И. №6, 1992.
6. Акишин Б.А., Колин С.Е., Морозов Г.А., Нечаев Е.Е., Воронин Е.Н. Применение вибрации для повышения точности измерения диаграммы направленности антенны // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции “ФАР - 90”/ Казань, КАИ, 1990. С. 98 - 99.
7. А.с. 1195295 (СССР) / Е.Н. Воронин, Е.Е. Нечаев. Устройство для определения ошибок безэховых камер. Опубл. в Б.И. № 44, 1985.
8. А.с. 1317372 (СССР) / Е.Н. Воронин, Е.Е. Нечаев. Устройство для измерения диаграммы направленности антенны. Опубл. в Б.И. № 22, 1987.
BACKGROUND CONTROL AMPLITUDE-PHASE DISTRIBUTION OF CURRENT ANTENNAS FOR GLISSADES RADIO BEACON SP-90
Netchaev E.E., Kachalkin M.V.
The application of the vibration for the control the amplitude-phase distribution antenna current of a glide-path beacon SP - 90 is described in the article.
Сведения об авторах
Нечаев Евгений Евгеньевич, 1952 г.р., окончил НГТУ (1974), доктор технических наук, доцент МГТУ ГА, автор более 100 научных работ, область научных интересов - антенные измерения, техника СВЧ.
Качалкин Михаил Владимирович, 1979 г.р., окончил МГТУ ГА (2004), аспирант МГТУ ГА, область научных интересов - математическое моделирование радиотехнических устройств.
