Results of a justification of structures of a direction-finding antenna array of a wide band mobile radio direction Finder

А.В. Леньшин, В.А. Мыльников, Е.Н. Сажин,

доктор технических наук, ФГНИИЦ РЭБ ОЭСЗ ФГНИИЦ РЭБ ОЭСЗ

ВВАИУ

РЕЗУЛЬТАТЫ ОБОСНОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПЕЛЕНГАТОРНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ШИРОКОДИАПАЗОННЫХ МОБИЛЬНЫХ РАДИОПЕЛЕНГАТОРОВ

RESULTS OF A JUSTIFICATION OF STRUCTURES OF A DIRECTION-FINDING

ANTENNA ARRAY OF A WIDE BAND MOBILE RADIO DIRECTION FINDER

Обоснована структура антенной решетки мобильных широкодиапазонных радиопеленгаторов. Предложена трехэтапная процедура пеленгования с малыми методическими ошибками.

The structure of the antenna array of mobile wide band radio direction finder is justified. The three-step procedure of a direction-finding with small method errors of direction finding is developеd.

Одной из основных причин низкой чувствительности работающих в диапазонах ультравысоких и сверхвысоких частот широкодиапазонных мобильных радиопеленгаторов с круговой зоной действия является неудовлетворительная эффективная площадь ненаправленных антенн в составе пеленгаторных антенных решеток. Одним из способов повышения чувствительности таких радиопеленгаторов является применение в пелен-гаторных антенных решетках направленных логопериодических вибраторных антенн (ЛПВА) вертикальной поляризации. Однако из-за электродинамического взаимодействия между ЛПВА в составе антенной решетки их диаграммы направленности (ДН) и пеленгационные характеристики (ПХ) искажаются, в результате увеличиваются методические ошибки пеленгования, ограничивающие номенклатуру возможных структур построения пеленгаторных антенных решеток и алгоритмов получения пеленга.

Цель работы - обоснование структуры антенной решетки широкодиапазонного радиопеленгатора на основе ЛПВА и алгоритма пеленгования в круговом азимутальном секторе с малыми методическими ошибками.

Для пеленгования в круговом азимутальном секторе при типовом значении ширины амплитудной ДН ЛПВА по уровню «минус» 3 дБ в азимутальной плоскости равном (67 - 60)° минимальное число Nmin идентичных ЛПВА в составе антенной решетки радиопеленгатора должно быть не менее шести, а осевые линии ЛПВА должны быть ориентированы вдоль соответствующих Nmin азимутальных направлений, равномерно распределенных в круговом азимутальном секторе. В такой структуре возможно

применение только амплитудного метода пеленгования, точность которого существенным образом зависит от форм амплитудных ДН ЛПВА, которые, в свою очередь, зависят от частоты радиосигнала.

Одним из путей повышения точности пеленгования в круговом азимутальном секторе с использованием антенных решеток из направленных антенн является введение в их состав линейных антенных подрешеток, нормали к которым ориентированы вдоль соответствующих Nmm азимутальных направлений, равномерно распределенных в круговом азимутальном секторе. В такой структуре реализация фазового метода пеленгования с малыми ошибками становится возможной, но при этом база подрешетки должна быть не менее 41 [1]. В данном случае использование минимально возможного числа направленных антенн линейной антенной подрешетки, равного двум, недостаточно, так как из-за высокого уровня боковых лепестков (УБЛ) в ДН [2] пеленгование будет носить неоднозначный характер [1]. Для снижения УБЛ в каждую из линейных двухэлементных антенных подрешеток достаточно добавить еще по одной антенне, идентичной каждой из антенн подрешетки, с размещением ее фазового центра между фазовыми центрами пары антенн таким образом, чтобы в образованной из трех идентичных антенн линейной антенной подрешетке три различные расстояния Ь1, Ь2 и Ьз между возможными парами антенн (базы) были связаны между собой по закону возрастающей геометрической прогрессии с множителем p [3]

Ь1 < Ь2 = pb1 < Ьз = pb2 = p2Ь1.

Для трехэлементной неэквидистантной линейной антенной решетки оптимальным по критерию наибольшей достоверности пеленгования при заданном отношении Ь/1 является обоснованное в [3] значение p = 1,618 .

На рис. 1. представлена схема расположения в азимутальной плоскости осевых линий ^к) -х логопериодических вибраторных антенн ЛПВА^)

вертикальной поляризации, где k = 1, ..., 6 - порядковый номер трехэлементной антенной подрешетки, i = 1, 2, 3 - порядковый номер антенного элемента в составе k -й трехэлементной линейной антенной подрешетки, образующих восемнадцатиэлементную пеленгаторную антенную решетку. Кроме того, на рис. 1. указаны направления отсчета азимута в и истинного азимута вИРИ на источник радиоизлучения (ИРИ) относительно осевой линии Ox антенной решетки, совпадающей со значением азимута в = 0°.

При пеленговании ИРИ с использованием обоснованной структуры пеленгаторной антенной решетки представляется целесообразным применение следующей процедуры определения азимута в .

На первом этапе путем сравнения шести пар радиосигналов, принятых на длине волны 1 шестью парами соседних антенных элементов смежных трехэлементных линейных антенных подрешеток ЛПВА1(>) и

ЛПВА3(к), выбирают пару ЛПВА1( ) и ЛПВА3(к ), на выходе которых хотя

бы один радиосигнал имеет наибольший уровень, где ктях е [1, 2, ..., 6];

На втором этапе определяется отношение П мощностей Pl(m ) и P3(k ) радиосигналов, принятых парой выбранных ЛПВА1(т ) и ЛПВА3(к ), в соответствии с соотношением

С погрешностью ДвА определяют азимут ИРИ вА путем сравнения оценки полученного значения П с априорно известной пеленгационной характеристикой П (1,в).

На третьем этапе из двух смежных трехэлементных линейных антен-

бирают подрешетку из ЛПВА, направления осевых линий которых наиболее близко к азимутальному направлению вА. Затем значение пеленга уточняется с использованием выбранной трехэлементной неэквидистантной линейной антенной подрешетки фазовым методом, реализуемым, например, путем сканирования F2(Л,в) (по мощности) в пределах углового сектора вА ± ЛвАтах и определения азимута в ИРИ в соответствии с соотношением

т,

^ 1 если kmax < 6;

1, есЛИ kmax = 6.

ных подрешеток, состоящих из ЛПВА, , или ЛПВА,, ,, где І = 1, 2, 3, вы

А І

#ф = аг§

ве

в

Рис. 1. Схема расположения в азимутальной плоскости осевых линий ЛПВА вертикальной поляризации, образующих восемнадцатиэлементную

пеленгаторную антенную решетку

Для оценки методических ошибок пеленгования, возникающих при использовании предложенной трехэтапной процедуры формирования ПХ было проведено математическое моделирование ДН антенн решетки, амплитудных и фазовых ПХ, с учетом электродинамического взаимодействия между ЛПВА при соотношении максимальной 1тах и минимальной 1тП

длин волн рабочего диапазона Кл = 1тах/ 1тП = 4. Учет электродинамического взаимодействия между антеннами при расчете ДН антенн антенной решетки осуществлялся с использованием современного программного продукта моделирования антенн ММАКА [4].

На рис. 2. для среднегеометрической длины волны рабочего диапазона 1 = 21тп = 1тах/2 представлена пеленгационная характеристика

П(21^,0), полученная на основе использования амплитудных диаграмм направленности ЛПВА1(1) и ЛПВА3(6) в соответствии с соотношением (2).

Из данного рисунка видно, что ошибка Д0А пеленгования может проявляться как в смещении на угол Д0А(рс) равносигнального направления относительно оси симметрии пеленгационной пары антенн, так и в воз-

никновении ошибки АвА(кр) из-за появления существенной азимутальной

зависимости крутизны пеленгационной характеристики.

Отмеченные на рис. 2. пунктирными линиями значения ошибок АвА(рс) и АвА(кр) пеленгования показывают, что максимальное значение

ошибки АвАтах пеленгования с использованием амплитудного метода составляет 3°.

Рассмотрим возможности уточнения оценки азимута вА ИРИ путем сканирования фазированной трехэлементной антенной подрешетки из трех ЛПВА в пределах углового сектора вА ± АвАтах.

Нормированные ДН ¥2(21тіп,в), полученные путем фазирования неэквидистантной линейной антенной решетки из трех антенн ЛПВАці), ЛПВА2(і) и ЛПВА3(1) при значении азимута вИРИ, равном 0° и 30°, представлены на рис. 3.

Л (2^,0), дБ

8 б 4 2 0 -2 -4 -б -8

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30

в, град.

Рис. 2. Пеленгационная характеристика, полученная на основе использования амплитудных ДН ЛПВАщ) и ЛПВА3

На рис. 3 пунктирными линиями отмечены границы сектора сканирования 2Авск ДН ¥2(21тіп, в) в окрестности значений азимута вИРИ ±Авск, в пределах которых локальные максимумы ДН, соответствующие азимуту вИРИ, не менее чем на 3 дБ превышают уровни боковых лепестков ДН. Как следует из анализа графиков на рис. 3. значения Авск слабо зависят от азимутального положения ИРИ в пределах сектора сканирования ДН ±30°. При этом допустимое для однозначного пеленгования фазовым методом значение азимутального сектора Авск составляет 13° и не менее чем в 4 раза превышает полученное для значение ошибок АвАтах пеленгования ИРИ с использованием амплитудного метода, что обеспечивает возмож-

ность получения однозначной оценки азимута ИРИ 0Ф фазовым методом с использованием соотношения (3).

Рг{2Х^,в)

в, град.

Рис. 3. Нормированные ДН по мощности фазированной неэквидистантной линейной антенной решетки из трех ЛПВА при <9ИРИ = 0°

Для оценки ошибки пеленгования А0Ф, на рис. 4. представлен локальный лепесток нормированной ДН Е2(2Ятп,в), полученный в азимутальном секторе ±2,5° относительно азимута ИРИ <9ИРИ = 30° при фазировании неэквидистантной линейной антенной решетки из трех антенн ЛПВАщ), ЛПВА2(і) и ЛПВА3(1). Анализ графика на рис. 4., показывает, что ошибка АвФ пеленгования не превышает 0,2°.

Таким образом, на основе сочетания достоинств, присущих фазовому и амплитудному методам пеленгования, а также благодаря выбору геометрии решетки обеспечивающей минимальный УБЛ была обоснована структура пеленгаторной антенной решетки из ЛПВА вертикальной поляризации, обеспечивающая при использовании предложенной трехэтапной про-

цедуры формирование ПХ в круговом азимутальном секторе с малыми, не превышают 0,2°, методическими ошибками при четырехкратном перекрытии рабочего диапазона длин волн.

Р2{2^в)

1

0,8 0,6

0,4 0,2

27,5 28 28,5 29 29,5 30 30,5 31 31,5 32 32,5

в, град.

Рис. 4. Локальные лепестки нормированных ДН по мощности фазированной неэквидистантной линейной антенной решетки из трех антенн

ЛПВАщ), ЛПВА2(1) и ЛПВАз(1) при вИШ = 30°

Показана возможность использования плоских антенных решеток с логопериодическими вибраторными антеннами нормальной поляризации при построении широкополосных радиопеленгаторов с круговой зоной действия, к которым предъявляются повышенные требования не только по чувствительности, но и по точности пеленгования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кукес И. С., Старик М. Е. Основы радиопеленгации. - М.: Сов. радио, 1964. - 640 с.

2. Марков Г. Т. Сазонов Д. М. Антенны. - М.: Энергия, 1975. - 528 с.

3. Виноградов А. Д. Синтез структуры широкополосного фазового радиопеленгатора с круговой зоной действия. // Антенны, 2001. - № 6 (52). - С. 48-52.

4. Гончаренко И. В. Антенны КВ и УКВ. Часть I. Компьютерное моделирование. МЫЛКА. - М.: ИП РадиоСофт, Журнал «Радио», 2004. -128 с.