CC BY
52
УДК 621.396.676
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-293-298
ВЛИЯНИЕ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ ОШИБОК ПРИЕМНО-ПЕРЕДАЮЩЕГО МОДУЛЯ НА ДИАГРАММУ НАПРАВЛЕННОСТИ АФАР
К.Г. Корнеев
Проводится анализ известных методов определения ошибки установки луча в плоскости излучения антенны под влиянием амплитудно-фазовых искажений. Приводится алгоритм уменьшения набега среднеквадратичной ошибки позиционирования главного лепестка диаграммы направленности.
Ключевые слова: Среднеквадратичная ошибка, диаграмма направленности.
1. Введение. Одним из перспективных направлений развития современной радиолокационной техники является освоение активных фазированных антенных решеток (АФАР) и их использование в составе радиолокационной станции (РЛС). Процесс разработки АФАР является трудоемким и включает в себя множество различных этапов. В АФАР каждый элемент или группа элементов имеют свой приёмно-передающий модуль (ППМ), который в свою очередь состоит из фазовращателя, аттенюатора, приёмника, передатчика и, в некоторых случаях, антенны.
К преимуществам использования АФАР можно отнести большое количество передатчиков, которое обеспечивает заданное амплитудное распределение в раскрыве антенного полотна и требуемую мощность за счёт когерентного сложения её в пространстве; небольшую мощность питания излучающих элементов; надёжность, поскольку выход из строя одного ППМ не влечёт за собой выход из строя всего радиолокатора; возможность управлять усилением отдельных ППМ, при этом существенно увеличивается диапазон отклонения луча. К недостаткам стоит отнести значительное рассеивание мощности, поскольку коэффициент полезного действия модуля передатчика в зависимости от диапазона не превышает 20...45%, что приводит к большому выделению тепла; потребление большого количества электроэнергии; высокая стоимость ППМ, что делает затрудняет проектирование антенных систем с большим количеством приемно-передающих модулей.
Чтобы снизить стоимость изделия, при проектировании АФАР в ряде случаев целесообразно группировать несколько излучающих элементов для подключения их к выходу одного ППМ (создавать подрешётку), что приводит к необходимости определения оптимальной распределительной системы. Основными критериями для неё являются ширина главного луча диаграммы направленности (ДН) и уровень боковых лепестков (УБЛ).
2. Постановка задачи. Необходимо определить возможные технические характеристики АФАР в зависимости от габаритов антенно-фидерной системы, шага между излучателями антенной системы и т.д., получить зависимость среднеквадратичной ошибки установки главного лепестка ДН, обусловленной техническими характеристиками ППМ.
3. Математический аппарат расчёта основных технических характеристик АФАР.
Активные фазированные антенные решётки в общем случае описываются теми же законами, что и другие классы антенных систем. Их определяют диаграмма направленности, ширина главного максимума, уровень боковых лепестков, коэффициент усиления и коэффициент направленного действия. Сечение ДН прямоугольной эквидистантной антенной решётки может быть определено по формуле (1)[1]:
N
F (в) = S A(n) • е~ikd (n)nsin(e), С1)
n=1
где N - количество излучателей, которые образуют антенную решётку, A(n) - амплитуда возбуждения n-го излучателя, £ = - волновое число, d - расстояние между соседними излуча-
X
телями, n - номер излучателя, в - угловая координата.
Оптимальный шаг размещения элементов антенной решётки выбирается согласно аналитической зависимости (2):
d <-X-, (2)
1 + cos(e)
где в - максимальный угол сканирования диаграммы направленности в угломестной плоскости.
4. Компьютерное моделирование характеристик активной фазированной антенной решетки.
Распределительную систему излучателей следует выполнять таким образом, чтобы формируемое амплитудное распределение в раскрыве антенны обеспечивало заданный уровень боковых лепестков. Предлагается использовать для этого два метода:
- подключать к выходу ППМ несколько излучателей и за счёт этого снижать мощность излучателя в 2, 3,4, 5... раз;
- благодаря наличию аттенюаторов в приемно-передающих модулях, возможно дополнительно обеспечить уменьшение подаваемой мощности на излучатели; выходной сигнал, формирующий амплитудное распределение в раскрыве решетки подвергается квантованию на 4 уровня.
Для оценки возможности формирования диаграммы направленности с заданными характеристиками было проведено компьютерное моделирование. Оно проводилось на частоте 16 ГГц для АФАР размером 336 х 336 мм, для количества излучателей 576 штук, по 24 излучателя в угломестной и азимутальной плоскостях. Заданный уровень боковых лепестков минус 18 дБ. Расстояние между элементами антенной решётки 10 мм. Общее количество ППМ в одной линии излучателей в плоскости антенны равно 8.
Так как ППМ имеет встроенный усилитель, то целесообразно использовать распределительную систему с последовательным равномерным делением мощности. Для 24 излучателей при питании от 8 ППМ существует 165 различных комбинаций амплитудного распределения, при условии, что минимально к одному ППМ может быть подключен 1 излучатель, а максимум 9. Среди этой группы комбинаций необходимо выбрать такую, которая обеспечивает требуемый уровень боковых лепестков исходя из поставленной задачи синтеза активной фазированной антенной решётки.
Благодаря алгоритму, написанному на высокоуровневом интерпретируемом языке математического программирования MATLAB, используя сравнительный анализ вариантов диаграмм направленностей для различных амплитудных распределений, был осуществлен выбор распределительной системы. Результаты показали, что излучатели следует объединить в группы по 4, 4, 2 и 2 элемента подключаемых к ППМ (рис. 2). Формируемое при этом амплитудное распределение показано на рис. 3.
l^J t^f try Y_Jf 1LJ ILJf TLJf tTJYJ
Zn L
■=-,-=
Рис. 2. Распределительная система
Для разработанной распределительной системы диаграмма направленности (рис. 4) имеет уровень боковых лепестков не более - 19 дБ, что соответствует заданному уровню.
!
1 0.7
а 0.6
10 (5
Номер напучатся, п
Рис. 3. Амплитудное распределение, формируемое в раскрыве антенной решётки
И, deg
Рис. 4. Диаграмма направленности синтезированной АФАР
5. Определение набега среднеквадратичной ошибки и его устранение.
Ошибки (погрешности, отклонения) в антенных решётках (АР) включают в себя ошибки в размещении элементов, а также ошибки фазы и амплитуды, обусловленные техническими характеристиками приемно-передающих модулей. Все ошибки относятся к двум типам: систематические и случайные. Большая часть ошибок представляет собой сочетание обоих типов.
Ошибки в АР рассматриваются по трем критериям: снижение направленности (усиления антенны); возрастание среднего уровня боковых лепестков (УБЛ); изменение точности установки и формы главного луча. При этом принимается во внимание допущение о том, что все случайные ошибки имеют нормальное (Гауссово) распределение и имеют нулевое среднее значение и дисперсию о2 [2].
С учётом ошибок, формируемых ППМ диаграмма направленности принимает вид
F2 = SA (1 + ôan )exp(j[S, +nkdu]) (3)
?
где An - комплексный коэффициент возбуждения, n - номер элемента АР, k = 2ж / X - волновое число, \ - длина волны, d - расстояние между элементами АР, u = sin (û) — sin (вск ) - угловая переменная, где вск - угол сканирования, 5ап - ошибка амплитуды, 8,п - ошибка фазы.
Среднеквадратичная ошибка установки луча определяется по формуле:
а =
S N,((
,)2
N
где N - количество итераций измерений, 6{ скан - заданный угол отклонения луча.
(4)
- угол отклонения луча под влиянием СКО,
-15 -16 -17 -18
-21 -22 -23 -24
I). аед б
Рис. 5. Сравнение диаграмм направленностей антенны с учетом ошибок (сплошная линия) и без ошибок (пунктирная линия): а - общий вид; б - увеличенная область около главного лепестка диаграммы направленности антенны
а
Рис. 6. Среднеквадратичная ошибка положения максимума диаграммы направленности
при отклонении луча на ±10°
Из рис. 6 видно, что из-за наличия амплитудных и фазовых ошибок при формировании поля в раскрыве антенны, наблюдается набег среднеквадратичной ошибки при увеличении угла отклонения антенны. Данного эффекта можно избежать если ввести фазовый коэффициент смещения «центров» излучающих элементов.
F2 =ТАп (1 + 5ап )ехр(]+ ^ корр + пМы]), (5)
где корр - дополнительный фазовый коэффициент.
Используя возможности языка программирования Matlab, с помощью функции «polyfit», была получена линия тренда среднеквадратичной ошибки, путём усреднения 5-ти результатов моделирования качания луча в области заданных углов отклонения, она задаётся уравнением:
f ( x ) = 0.0246x + 0.017;
tan (a) = f'(x) = 0.0246; (6)
5 корр = 1 + atan (a) .
Введение дополнительного фазового коэффициента позволяет значительно (в 2...2,5 раза) уменьшить ошибки позиционирования луча в диапазоне углов сканирования (рис. 7).
Рис. 7. СКО положения максимума ДН при отклонении луча на ±10° после введения дополнительного фазового коэффициента
5. Выводы. Предложенный метод оптимизации распределительной системы позволяет упростить её конструкцию при обеспечении требуемых параметров диаграммы направленности антенны. Для повышения точности позиционирования луча антенны в процессе отклонения целесообразно введение дополнительного фазового коэффициента, определяемого по результатам моделирования влияния фазовых ошибок на диаграмму направленности антенны.
Список литературы
1. Воскресенский Д.И. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование антенных решёток: учеб. пособие для вузов / под ред. Д.И. Воскресенского 4-е изд. М.: Радиотехника, 2012. 744с.
2. Хансен Р.С. Фазированные антенные решётки. Второе издание / под ред. А.И. Си-нани Техносфера, Москва, 2012. 558 с.
3. Банков С.Е. Антенные решетки с последовательным питанием. М.: Физматлит, 2013.416 с.
4. Пантенков Д.Г., Литвиненко В.П., Гусаков Н.В. Математическое, численное и электродинамическое моделирование активной фазированной антенной решетки // Вестник Воронежского государственного технического университета, 2013. Т.9. №1. С.37-39.
5. Давыдов А.Б. Кузина Т.А. Яковлев К.В. Влияние искажений на диаграмму направленности бортовой антенной решётки ЛА и КА // Журнал научных публикаций Chronos 2020. №4. C. 24-30.
Корнеев Константин Глебович, аспирант, kostya.korneev@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE INFLUENCE OF THE AMPLITUDE-PHASE ERRORS OF THE TRANSMITTING-RECEIVING MODULE ON THE DIRECTIONAL DIAGRAM OF THE ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY
K.G. Korneev 297
The analysis of the known methods for determining the error of beam positioning in the plane of antenna radiation under the influence of amplitude-phase distortions is carried out. An algorithm for decreasing the incursion of the root-mean-square error of positioning the main lobe of the directional pattern is presented.
Key words: rnot mean square error, directional diagram.
Korneev Konstantin Glebovich, postgraduate, kostya.korneev@,gmail.com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.396
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-298-303
ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ И МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ
МОНИТОРИНГА
Н.П. Удальцов, П.А. Агеев, П.В. Заика
В статье рассматриваются основные аспекты и методика оценки эффективности деятельности сил, средств и органов мониторинга.
Ключевые слова: мониторинг, информация, должностное лицо, личный состав, орган мониторинга, обстановка, эффективность, математический аппарат.
Потенциальные способности сил и средств мониторинга характеризуются возможностями по добыванию информации о противоборствующей стороне, определяемыми техническими характеристиками средств мониторинга, обученностью и подготовленностью должностных лиц и личного состава органов мониторинга.
Реальные возможности характеризуются эффективностью решения задач мониторинга, отражающей степень реализации потенциальных возможностей сил и средств мониторинга в реальных условиях оперативной (текущей) обстановки [1-9].
Под эффективностью любого целенаправленного действия (процесса, мероприятия) принято понимать степень соответствия результатов этого действия поставленной перед ним цели.
Для количественного измерения эффективности используются величины, называемые показателями эффективности. В случаях определения конкретных значений этих показателей для сравнения с их требуемым (в соответствии с целью) значением эти показатели называют также критериями эффективности. При этом, если перед действием ставится не одна, а несколько целей, имеет место многокритериальная оценка эффективности.
Начальными этапами оценки эффективности, как правило, являются:
выявление требований к желаемому уровню эффективности, причем данные требования вытекают из сформулированных целей (требуемых результатов), которых должно достичь определенное действие (в данном случае действие сил и средств мониторинга);
разработка критериальной основы и математического аппарата оценки эффективности.
Оценка эффективности деятельности должностных лиц и личного состава органов мониторинга должна учитывать две особенности ее планирования и проведения.
Первая особенность обусловлена назначением сил и средств, осуществляющих деятельность органов мониторинга, поскольку, с одной стороны, мониторинг как основная компонента деятельности относится к важнейшим видам боевого (оперативного) обеспечения боевых действий.
Однако, с другой стороны, боевая составляющая деятельности органов мониторинга является составной частью непосредственно самих боевых действий.
298
