CC BY
66
DOI 10.25987^Ти.2020.16.2.012 УДК 621.396.677.33
ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ РАДИОПЕЛЕНГАТОРНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДЛЯ МАЛОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
П.В. Першин АО «ИРКОС», г. Москва, Россия
Аннотация: представлены результаты исследования различных вариантов реализации радиопеленгаторных антенных решеток, предназначенных для размещения на малом беспилотном летательном аппарате в составе малогабаритной широкодиапазонной станции радиоконтроля, массогабаритные параметры которых жестко ограничены заданными требованиями. Исследовано влияние несущей платформы антенной системы на комплексные векторные диаграммы направленности антенных элементов решетки. Показано, что металлическая платформа носителя существенно искажает диаграммы направленности несимметричных и симметричных вибраторных антенных элементов и существенно снижает кроссполяризационную развязку, что при использовании корреляционно-интерферометрического метода дает грубые промахи при оценке пеленга сигналов с эллиптической поляризацией. Предложен метод снижения влияния металлической платформы носителя с использованием поглощающих поверхностей различного типа. В предельном случае отсутствия платформы систематическая погрешность пеленгования с использованием антенной решетки из симметричных конусных элементов не превышает 2 градусов. Установлено, что лучшими характеристиками среди рассмотренных вариантов при размещении над металлической платформой обладает антенная решетка из симметричных конусов. Использование поглотителя типа «двойной экран Солсбери» позволяет уменьшить погрешность пеленгования, вызванную рассеянием волн на платформе, на частотах выше 200 МГц
Ключевые слова: антенная решетка, радиопеленгация, корреляционный интерферометр, комплексная векторная диаграмма направленности, малый беспилотный летательный аппарат
Введение
При осуществлении мероприятий по радиоконтролю применяют различные варианты технических средств: стационарные, носимые, мобильные с различными типами носителей. Мобильная аппаратура радиоконтроля традиционно размещается на автомобилях, речных и морских судах, самолетах и вертолетах. В настоящее время в связи со снижением стоимости и массогабаритных характеристик радиоконтрольной аппаратуры появилась возможность использовать в качестве носителя беспилотный летательный аппарат (БПЛА) [1, 2]. Особый интерес такое решение представляет при решении задач пеленгования и локализации источников радиоизлучения (ИРИ), что отражено во многих научных работах.
В работе [3] предложен метод локализации ИРИ с использованием БПЛА, с помощью численного эксперимента проанализированы его характеристики для трёх вариантов реализации антенных решеток: линейной, круговой и плоской. Показано, что радиопеленгатор с линейной антенной решеткой, который измеряет только азимут ИРИ, может эффективно решать задачу его локализации, когда БПЛА летит по искривленной траектории с изменением положения БПЛА.
В работе [4] разработан и испытан в полевых условиях прототип системы локализации узкополосного источника сигнала на базе БПЛА. В рассмотренном прототипе оборудование, установленное в БПЛА, измеряет только пеленги сигнала, которые впоследствии объединяются с данными датчика положения и положения БПЛА для локализации источника сигнала. Нелинейная фильтрация и инкремент-ная локализация используются для преодоления шумных наблюдений и сокращения задержки локализации.
В настоящей работе с помощью численного эксперимента проведен анализ различных вариантов реализации радиопеленгаторных антенных решеток, предназначенных для корре-ляционно-интерферометрического радиопеленгатора бортовой малогабаритной широкодиапазонной станции радиоконтроля [2] при размещении на БПЛА вертолетного типа (БПВ).
Исходные требования и варианты реализации антенных систем для малого БПЛА
К антенной системе для бортовой малогабаритной широкодиапазонной станции [2] предъявлялись следующие технические требования:
© Першин П.В., 2020
1. Корпус носителя - БПВ со следующими размерами платформы: высота - 137,5 мм, длина - 1016 мм, ширина - 700 мм.
2. Высота антенной системы - не более 400 мм.
3. Масса антенной системы - не более 10 кг.
4. Количество антенных элементов в решётке - не более 10.
5. Диапазон рабочих частот - от 100 до 3000 МГц.
6. Измеряемые угловые координаты источника радиоизлучения - азимут и угол места.
7. Среднеквадратическое отклонение (СКО) измерения угловых координат - не более 2°.
8. Поляризация пеленгуемого сигнала -вертикальная.
Для обеспечения возможности измерения азимута и угла места была выбрана двухъярусная антенная решетка, состоящая из двух кольцевых антенных подрешеток с радиусами 200 мм и 350 мм. Каждая подрешетка состоит из пяти вибраторов с диаметром основания 40 мм и высотой одного вибратора 40 мм. Угол между фазовым центром элемента решетки с меньшим значением радиуса и фазовыми центрами двух ближайших антенных элементов подрешетки с большим значением радиуса составил около 90° из соображения минимизации уровня боковых лепестков антенной решетки в рабочей полосе частот.
При проектировании антенной системы принимались следующие соображения. С точки зрения минимизации уровня кроссполяризо-ванных составляющих (ф - компоненты поля) желательно использовать симметричные электрические вибраторы. Модель антенной решетки с симметричными вибраторами, размещенными над платформой носителя, показана на рис. 1. На рис. 2 представлены амплитудные и фазовые диаграммы направленности антенного элемента № 8 решетки.
А
| 209
а - амплитудная ДН, 100 МГц
б - фазовая ДН, 100 МГц
а .37 6 О . 15 -О . 55
3 60
304 270
236 203 169 135 101 61. 5 33 . 0 0
2
и,
-О.131
-О . 763
в - амплитудная ДН, 1000 МГц
с1ед
3 60
304 270 236 203 169 135 101
Рис. 1. Модель антенной решетки из биконических вибраторов
г - фазовая ДН, 1000 МГц Рис. 2. Диаграмма направленности симметричного антенного элемента 8
Вычисление пеленга с использованием исследуемых вариантов реализации антенных систем реализовано корреляционно-интерфе-рометрическим способом пеленгования, в котором пеленг определяется как максимум свертки между измеренным и теоретическим амплитудно-фазовыми распределениями [5]:
D Ы = Ё [U s (J„):
X ехр(-/ • ^ • (Хп • С08(^) + уп • ^п(р)))] где 0 < р< 2л— текущее значение азимута; N
- число антенных элементов в решетке; хп, уп
- координаты элементов антенной решетки.
На рис. 3 показаны результаты вычисления пеленгов с использованием антенной решетки с симметричными вибраторами. Истинное значение азимута - 18°, угла места - 45°. При пеленговании источников с в - поляризацией погрешность оценки угловых координат доходит до 5°. При преобладании р - компоненты поля
в низкочастотной области рассматриваемого диапазона возможны грубые промахи в оценке угловых координат источников радиоизлучения.
Азимут, град.
300 500 70(1
а - вертикальная поляризация
Азимут, град.
3110 270
100 300 501] 700 9110 К, МГц
б - левая круговая поляризация
Рис. 3. Результаты вычисление пеленгов для антенной решетки с симметричными вибраторами
Для минимизации высоты антенной системы предпочтительнее формировать подрешетку с большим значением радиуса из несимметричных антенных элементов, запитанных относительно металлизированной платформы БПЛА, показанную на рис. 4. На рис. 5 показаны амплитудные и фазовые диаграммы направленности антенного элемента 8 решетки, на рис. 6 -результаты вычисления пеленгов для истинных значений азимута - 18°, угла места - 45°.
Рис. 4. Модель антенной решетки с несимметричными вибраторами
□ . 641
0.441 0.321 0 . 2 □.0801 -0.535 -2.34 -4.09 -5.85 -7 . б
а - амплитудная ДН, вертикальная поляризация, 100 МГц
304 270 236 203 165 135 101
I
б - фазовая ДН, вертикальная поляризация, 100 МГц
Рис. 5. Диаграмма направленности несимметричного антенного элемента 8
n= 1
-8 . 32 -9.26
в - амплитудная ДН, горизонтальная поляризация, 100 МГц
304 270 236 203 169 135 101
I
г - фазовая ДН, горизонтальная поляризация, 100 МГц
Рис. 5. Диаграмма направленности несимметричного антенного элемента 8 (продолжение)
Рис. 6. Результаты вычисление пеленгов для антенной решетки с несимметричными вибраторами
Был проверен предельный случай отсутствия платформы (платформа закрыта идеальным поглощающим материалом, рис. 7). Результаты вычисления пеленга для данного варианта показаны на рис. 8. Из представленных результатов видно, что при отсутствии платформы систематическая погрешность пеленгования не превышает 1-2 градусов. Поэтому была исследована возможность снижения интенсивности рассеяния электромагнитных волн
платформой БПЛА путем покрытия ее поверхности планарной печатной радиопоглощающей антенной решеткой с сосредоточенными дис-сипативными элементами, как это показано на рис. 9 (для расширения полосы частот эффективного поглощения расстояния между слоями экрана Солсбери и поверхностью платформы необходимо выбирать таким образом, чтобы они составляли примерно четверть длины волны на двух разнесенных частотах).
Рис. 7. Модель антенной решетки при отсутствии платформы
Рис. 8. Результаты вычисление пеленгов для антенной решетки без платформы
Структура с двухслойным печатным поглотителем типа «экран Солсбери», показанная на рис. 9, состоит из печатных плат с квадратными полосками размерами 35 мм на 35 мм (меньше X / 8 на частоте 1 ГГц), расположенные на расстоянии 75 мм и 150 мм от платформы (четверть длины волны на частотах 1 ГГц и 0,5 ГГц). Нагрузки - резисторы по 400 Ом.
а - расположение поглотителя относительно решетки
б - структура поглотителя Рис. 9. Применение поглотителя
Результаты вычисления пеленга сигнала с левой круговой поляризацией для варианта антенной системы, рассмотренной на рис. 9, показаны на рис. 10. Истинное значение азимута 18°, угла места - 45°. Из полученных результатов видно, что наиболее ощутимый выигрыш в точности пеленгования имеет место в низкочастотной области исследуемого диапазона волн, но для полной компенсации систематической погрешности пеленгования необходимо использовать существенно большее число слоев многочастотного экрана Солсбери.
Азимут, град.
г~
1-1
ПОТЛ отнтедь, рез неторы по 100 Он II J V
Vn J V' H
4--I ui_J
: { Поглотитель, рези торы по 800 Ом
h ■ h f*
д
; г i, jJ Без пс глотитепя
чн
100 300 500 700 900 F, МГц
Рис. 10. Вычисленный азимут для антенной системы, показанной на рис. 9
Заключение
В результате проведенных исследований можно сформулировать следующие выводы.
Лучшими характеристиками обладает антенная решетка из симметричных конусов, состоящая из 2 подрешеток, антенные элементы которой расположены в шахматном порядке в верхней и нижней подрешетках (ослабленная связь между элементами, малый уровень паразитной поляризации).
Платформу желательно полностью закрывать поглотителем.
Несимметричные элементы использовать нежелательно, т.к. у них существенная компонента паразитной поляризации, что сильно сказывается на погрешности пеленгования при неизвестной поляризации падающей волны.
При падении волны с левой круговой поляризацией с азимута 18° и угла места 45° погрешность пеленгования у антенной решетки, показанной на рис. 6, не превышает 2 градусов в полосе от 100 МГц до 1000 МГц при отсутствии погрешности измерения фаз и амплитуд.
Использование поглотителя «двойной экран Солсбери» позволяет уменьшить погрешность пеленгования, вызванную рассеянием волн на платформе, на частотах выше 200 МГц.
Литература
1. Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Автоматизированные системы радиоконтроля и их компоненты. М.: Горячая линия - Телеком, 2017. 424 с.
2. Бортовая малогабаритная широкодиапазонная станция радиоконтроля / А.В. Ашихмин, В.А. Козьмин, И.Б. Крыжко, П.В. Першин, А.Б. Токарев // Радиолокация, навигация, связь: сб. тр. XXIV Междунар. науч.-техн. конф. 2018. Т. 2. С. 375 - 382.
3. Cheon S., Hyoungsoo L., Kwangjae L. Signal Source Localization Using Unmanned Aerial Vehicle with Antenna Array // The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences. 2018. № 43. P. 1911 -1919.
4. Experimental Performance of Signal Source Localization Based on Distributed DoA Measurements / L. Hyoungsoo, J. Inone, K. Jung-Bin, L. Kwangjae, L. Sang-Uk // 34th International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications, 2019. DOI: 10.1109/ITC-CSCC.2019.8793447.
Radio monitoring. Problems, Methods and Equipment / A.M. Rembovsky, A.V. Ashikhmin, V.A. Kozmin, S.M. Smolskiy. Dordrecht: Springer, 2009. 507 p.
Поступила 28.02.2020; принята к публикации 27.03.2020 Информация об авторах
Першин Павел Викторович - ведущий инженер, АО «Иркос» (129626, Россия, г. Москва, а/я 30), тел. +7(915)587-43-25, е-таП; [email protected]
VARIANTS OF THE SMALL-DRONE BASED DIRECTION FINDING ANTENNA ARRAYS
P.V. Pershin JSC "IRCOS", Moscow, Russia
Abstract: the paper presents the analysis results of the direction-finding antenna arrays variants intended as part variants for a small-size wide-scale radio monitoring station placed on a drone. The weight and size parameters of antenna array are strictly limited by the specified requirements. The influence of the antenna system carrier platform on the complex vector patterns of antenna elements of the array is investigated. It was shown that the carrier metal platform substantially distorts the radiation patterns of asymmetric and symmetric vibrator antenna elements and significantly reduces the cross-polarization isolation, and gives rough misses in evaluating the bearing of signals with elliptical polarization when using the correlation-interferometric direction-finding method. A method for reducing the influence of the carrier metal platform using absorbing surfaces of various types is proposed. In the limiting case of the platform absence, the systematic error of direction finding using an antenna array of symmetrical conical elements does not exceed 2 degrees. It was determined that the optimum characteristics among the options considered when placed above a metal platform have an antenna array of symmetrical cones. The use of a Salisbury double-screen absorber reduces the direction-finding error caused by wave scattering on the carrier platform at frequencies above 200 MHz
Key words: antenna array, direction finding, correlation interferometer, complex vector radiation pattern, small drone
References
1. Rembovskiy A.M., Ashikhmin A.V., Koz'min V.A. "Automated radio monitoring systems and their components" ("Avtomatizirovannye sistemy radiokontrolya i ikh komponenty"), Moscow, Goryachaya liniya - Telekom, 2017, 424 p.
2. Ashikhmin A.V., Koz'min V.A., Kryzhko I.B., Pershin P.V., Tokarev A.B. "Board small-size wide-scale radio monitoring station", Proc. of the XXIV International Scientific and Technical Conference «Radar, Navigation, Communications» (Radiolokatsi-ya, navigatsiya, svyaz': sb. tr. XXIV Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf.), 2018, vol. 2, pp. 375-382.
3. Cheon S., Hyoungsoo L., Kwangjae L. "Signal source localization using unmanned aerial vehicle with antenna array", The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, 2018, no. 43, pp. 1911-1919.
4. Hyoungsoo L., Inone J., Jung-Bin K., Kwangjae L., Sang-Uk L. "Experimental performance of signal source localization based on distributed DoA measurements", 34th International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications, 2019, DOI: 10.1109/ITC-CSCC.2019.8793447.
5. Rembovsky A.M., Ashikhmin A.V., Kozmin V.A., Smolskiy S.M. "Radio monitoring. Problems, Methods and Equipment", Dordrecht, Springer, 2009, 507 p.
Submitted 28.02.2020; revised 27.03.2020 Information about the authors
Pavel V. Pershin, leading engineer, JSC "IRCOS" (P.O.Box 30, Moscow 129626, Russia), tel. +7(915)587-43-25, e-mail: pershinpv@ircoc. vrn.ru
