CC BY
32УДК 621.37
DOI: 10.24412/CL-35807-2022-1-10-12
РАЗРАБОТКА СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОГО ВЫСОКОТОЧНОГО МАЛОГАБАРИТНОГО ФАЗОВОГО ПЕЛЕНГАТОРА
Кимишкез Д. Ю., инженер второй категории, АО «КНИРТИ», e-mail: [email protected]
DEVELOPMENT OF AN ULTRA-WIDE-BAND HIGH-PRECISION SMALL-SIZED PHASE DIRECTION FINDER
Kimishkez D. Y., second category engineer JSC «KNIRTI», e-mail: [email protected]
Аннотация. В статье рассмотрены требования к современным системам пеленгации, широко применяемым в авиации. Описаны основные факторы, влияющие на точность пеленгации при построении малогабаритного сверхширокополосного фазового пеленгатора высокой точности. Представлено общее описание метода учета фазовых ошибок, возникающих в результате фазовой неидентичности измерительных каналов, позволяющих повысить точность вычисления пеленга на источник электромагнитного излучения (ЭМИ). Описано условие выбора типа антенн для фазовой пеленгации.
Annotation. The article considers the requirements for modern direction finding systems widely used in aviation. The main factors affecting the accuracy of direction finding in the construction of a small-sized ultra-wideband phase direction finder of high accuracy are described. A general description of the method of accounting for phase errors resulting from the phase non-identity of measuring channels is presented, which allows to increase the accuracy of calculating the bearing on the source of electromagnetic radiation (EMR). The condition for choosing the type of antennas for phase direction finding is described.
Ключевые слова: фазовый пеленгатор, фазовая неидентичность, сверхширокополосные антенны, точность пеленгации.
Keywords: phase direction finder, phase non-identity, ultra-wideband antennas, direction finding accuracy.
Введение
Современные системы пеленгации должны соответствовать определенному ряду требований [1].
В первую очередь, к системам обнаружения пеленгации предъявляется требование по точности определения направления на источник ЭМИ. Не менее важным параметром является чувствительность устройства пеленгации. Данный параметр влияет на дальность обнаружения цели и точность пеленгации. Следующими по значимости можно считать такие параметры, как габариты и масса пеленгационного устройства. При прочих равных условиях снижение массы и уменьшение габаритов устройства пеленгации позволяет взять больше полезной нагрузки или увеличить дальность полета, разместить иные устройства в освободившемся объеме.
Устройство пеленгации должно отвечать высоким требованиям к надежности, простоте эксплуатации, работать и обеспечивать технические параметры в широком пределе температур. При этом стоимость производства и эксплуатации такого устройства должна быть максимально низкой.
Метод устранения фазовой неидентичности
между измерительными каналами в фазовом пеленгаторе
Принцип фазовой пеленгации основан на измерении разности фаз сигналов, принимаемых разнесенными в пространстве приемниками, обусловленной разностью расстояний от источника излучения до точек приема. Данный метод, в отличие от амплитудного, обладает более высокой точностью, не требует применения антенн с выраженной направленностью или антенных решеток со сложными диаграммообразую-щими устройствами, но предъявляет высокие требования к фазовым характеристикам пеленгатора и их температурной стабильности [2].
Точность фазового пеленгатора (ФП) определяется размером измерительной базы — расстоянием между точками приема ЭМИ и собственными фазовыми ошибками, в большей степени обусловленными неидентичностью фазовых характеристик между измерительными каналами.
Источниками ошибок пеленгования являются собственные шумы приемных устройств, паразитные фазовые сдвиги
№
А1
<———
а /
/
/
/
/А3_
¿2
/
/А4 Линия
¿3
а = штат
^ 2 п а^ '
2п^со8а '
(1)
а <
Х 2'
(2)
Если а будет много меньше Х, то увеличится ошибка измерений, а если больше, то не решится условие устранения неоднозначности измерений.
Таким образом наименьшая фазометрическая база выбирается из условия
а,
Х
Х
(3)
расположения антенн
Рис. 1. Расположение измерительных баз фазового пеленгатора
в приемно-усилительных каналах, погрешности измерителей разности фаз, а также фазовые искажения радиоволн на трассе [3]. В данной статье рассматривается метод учета паразитных фазовых сдвигов (фазовой неидентичности) в приемно-усилительных каналах.
Пеленг на источник ЭМИ определяется по формуле [3]:
где А^ — фазовый сдвиг между сигналами, принятыми антеннами от источника ЭМИ; Х — длина воны принятого сигнала от источника ЭМИ; а — длина соответствующей измерительной базы антенны; а — угол приема сигнала относительно нормали к приемной антенны.
Точность пеленгации фазового пеленгатора определяется размером базы а, разностно-фазо-вой ошибкой измерительного тракта стф, характеризуется значением среднеквадратичного отклонения измерения пеленга ста и вычисляется по формуле [3]:
где Хш]п — наименьшая длина волны принимаемого сигнала в рабочем диапазоне частот.
Из формулы (1) видно, что точность пеленгации зависит от величины отношения а/Х и угла а. Для обеспечения высокой точности определения пеленга введены две дополнительные фазомет-рические базы а2 и а3, которые служат для последовательного уточнения измерений, обеспечивая таким образом высокую точность измерений (рис. 1).
Размер фазометрических баз а2 и а3 определяется величиной разностно-фазовой ошибки стф и требуемой точностью пеленгации. Чем меньше значение разностно-фазовой ошибки, тем больше может быть длина измерительной базы а2 и а3 относительно базы а,. Если бы стф была равна нулю, то для обеспечения точных измерений достаточно было иметь всего две измерительных базы: а, — для обеспечения устранения неоднозначности, а3 — для обеспечения разрешающей способности и высокой точности пеленгации.
В рамках проведенных исследований разработан макет сверхширокополосного высокоточного малогабаритного фазового пеленгатора, структурная схема которого приведена на рисунке 2. Пеленгатор состоит из четырех приемных разнесенных в пространстве широкополосных антенн А1—А4, узла усиления и калибровки А5 и аналого-цифрового узла А6.
где стф — разностно-фазовая ошибка измерительного тракта; Х — длина волны принятого сигнала от источника ЭМИ; а — длина соответствующей измерительной базы антенны; а — угол приема сигнала относительно нормали к приемной антенны.
Для обеспечения условия однозначности измерений необходимо, чтобы длина наименьшей фазометрической базы (расстояние между фазовыми центрами антенн А1 и А2) удовлетворяла условию:
где Х — длина волны принимаемого сигнала.
Рис. 2. Структурная схема фазового пеленгатора: А1—А4 — приемная антенна; А5 — узел усиления и калибровки; А6 — узел управления, демодуляции, аналого-цифровой обработки и вычисления пеленга (далее вычислитель пеленга)
=
а
Антенны А1—А4 принимают высокочастотный сигнал от источника ЭМИ, который проходит фильтрацию и усиление в узле усиления и калибровки А5. Отфильтрованный и усиленный сигнал из узла А5 поступает в вычислитель пеленга А6, где радиосигнал демодулируется, оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП), который обеспечивает необходимый динамический диапазон и точность измерения мощности фазы сигнала. Значения, полученные в АЦП, передаются в вычислитель для математической обработки. В ходе математической обработки вычисляется пеленг на источник ЭМИ.
Чтобы добиться высокой точности пеленгации при малых габаритах антенной системы, необходимо максимально снизить или учесть значение паразитных фазовых сдвигов в приемно-уси-лительных каналах.
В целях учета значения фазовой ошибки в тракте пеленгатора разработан метод, позволяющий при помощи подачи контрольного сигнала измерить значение фазовой неидентичности измерительных каналов от узла А5 до узла А6 (далее фазовой неидентичности) с высокой точностью.
Узел калибровки и усиления разработан таким образом, чтобы проходящий через него контрольный сигнал охватывал весь высокочастотный тракт узла А5 от антенного входа до узла А6, в котором происходит измерение фазы по каждому из каналов и вычисление значения фазовой неидентичности между каналами. На рисунке 2 зеленой пунктирной линией выделена часть пеленгатора, для которой вычисляются значения фазовой неидентичности между измерительными каналами.
Измеренные значения фазовой неидентичности учитываются при измерении разности фаз между сигналами, принятыми от источника излучения разнесенными в пространстве антеннами.
Уменьшение массы и габаритов ФП достигается за счет комплексированного исполнения приборов и узлов на базе интегральных схем и кристаллов. Узел усиления и калибровки (А5) содержит в себе устройства фильтрации, усиления и переключения. Узел управления (А6) объединяет в себе синтезатор частот, демодуляторы, АЦП, ПЛИС с процессором. Комплексирован-ное исполнение устройств позволило существенно уменьшить габариты и массу радиоаппаратуры, снизить электропотребление, повысить надежность и улучшить технические характеристики.
Однако фазовая неидентичность между антеннами остается неучтенной. Фазовая неидентичность тракта от антенн до устройства усиления и калибровки может быть снижена механическим способом, путем подбора длины кабеля от антенны до узла А5 с точностью до нескольких градусов фазы и в сравнении с остальными частями тракта является не существенной.
Одной из проблем разработки сверхширокополосных пеленгаторов, не зависимо от их принципов работы, фазового или амплитудного, является проблема создания сверхширокополосных антенн со стабильными во всей полосе частот фазовыми и амплитудными характеристиками.
Для реализации измерительных баз, позволяющих проводить однозначные измерения разности фаз между сигналами принятыми антеннами, может потребоваться расположение антенн с расстоянием между их центрами в три—пять раз меньше физических размеров рупорной или спиральной антенны (3).
Для обеспечения требований к однозначной измерительной базе в нашем случае были выбраны антенны Вивальди, выполненные на печатной плате [4]. Антенны Вивальди являются широко -полосными и обеспечивают стабильность характеристик в диапазоне нескольких октав.
Заключение
Благодаря разработанному устройству метода вычисления и учета фазовой неидентичности между измерительными каналами не требуется сложных операций по подстройке фазы во время изготовления, в процессе эксплуатации и после ремонта. Антенны, узел калибровки и усиления, а также цифровой узел разработаны на базе печатных плат, что позволяет повысить точность изготовления и повторяемость характеристик составных частей пеленгатора, максимально исключив операции с участием человека.
Применение метода учета фазовой неидентичности каналов позволяет достигнуть точность пеленгации, сравнимую с ведущими мировыми аналогами. Аппаратура фазового пеленгатора является сверхширокополосной, обладает малым весом и габаритами, модульной конструкцией, а также способна обеспечивать работу и высокую точность в широком температурном диапазоне.
Список литературы
1. Радиомониторинг, задачи, методы, средства / Рембровкий А. М., Ашихмин А. В., Козьмин В. А. — Горячая линия-Телеком, 2012.
2. Амплитудные и фазовые методы определения углового положения источника электромагнитных волн, Тимофеев В. А.
3. Фазовые радиопеленгаторы / Денисов В. П., Дубинин Д. В. — Томск, 2002.
4. Design of Vivaldi Microstrip Antenna for Ultra-Widebend Radar Applications, M. Y. Perdana et al 2017 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.
