Совершенствование процедуры калибровки приемных антенных систем

УДК 621.396.67

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕДУРЫ КАЛИБРОВКИ ПРИЕМНЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ А.В. Ашихмин, Ю.Е. Калинин, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак

Представлены результаты исследований, направленных на установление возможности совершенствования процедуры калибровки антенной системы, основанной на формировании базы данных эталонных сигналов с элементов антенной решетки. С использованием данных электродинамического моделирования, а также натурных измерений продемонстрирована высокая эффективность предложенной процедуры

Ключевые слова: калибровка, аппроксимация, антенная система, диаграмма направленности

С задачей калибровки приходится сталкиваться как на этапе производства, так и на этапе эксплуатации антенных систем.

Ведущие производители аппаратуры радиопеленгации и радиомониторинга, фирмы Rohde&Schwarz (Германия) [1] и TCI (США) [2], для компенсации негативного влияния дифракционных явлений при функционировании своих антенных систем используют процедуру калибровки, основанную на формировании базы данных комплексных амплитуд на элементах антенной решетки (АР) для всех возможных вариантов угловых координат расположения источника радиоизлучения (ИРИ). А далее, в процессе эксплуатации, при определении направления на ИРИ, ищется максимум коэффициента корреляции измеренного амплитуднофазового распределения на элементах АР с эталонными данными, полученными в процессе калибровки. Данная процедура весьма трудна и дорога, так как приходится производить обмер антенной системы с малым шагом изменения углового положения источника радиоизлучения, чтобы добиться высокой эффективности процедуры калибровки.

Ранее, в работах [3-9] были предложены и исследованы различные методы автокалибровки, позволяющие существенно снизить погрешности пеленгования без использования какой-либо априорной информации о геометрии, структуре и материальных свойствах элементов антенной системы и близлежащих рассеивателей.

Следует отметить, что описанные методы автокалибровки, при всех их преимуществах,

Ашихмин Александр Владимирович - ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), д-р техн. наук, тел. (473) 239-23-00 Калинин Юрий Егорович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (473) 246 66 47

Негробов Владимир Владимирович - ВГТУ, аспирант, тел. 8(903) 653-21-64

Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 223-12-46

нуждаются в дальнейшем исследовании и развитии, а, кроме того, применимы на данный момент лишь для антенных систем, составленных из элементов с фиксированными фазовыми центрами. Между тем, использование антенных решеток, составленных из элементов, обладающих игольчатой диаграммой направленности, в частности, ТЕМ-рупоров или антенн Вивальди, не имеющих фиксированного фазового центра, позволяет создавать сверхширокопо-лосные антенные системы, обладающие высокими значениями коэффициента усиления при достаточно малых габаритных размерах. Примерами могут служить антенные системы TCI 643 (рис.1а) и TCI 641 (рис. 1б), предназначенные для функционирования в диапазоне частот от 20 до 3000 МГц [2], а также описанные в ряде работ [10-15].

б)

Рис.1. Радиопеленгаторные антенные системы производства фирмы TCI: а) TCI 643; б) TCI 641

В связи с указанным выше, актуальными являются задачи упрощения процедуры формирования базы данных комплексных амплитуд, а также разработки антенных систем, использование которых, допускало бы подобное упрощение без снижения эффективности функционирования.

Очевидно, что одним из перспективных путей снижения стоимости и трудозатрат калибровки, является осуществление обмера антенной решетки с большим шагом по угловым координатам и дальнейшая аппроксимация полученных значений диаграммы направленности (ДН) непрерывной функцией. Для аппроксимации ДН предлагается использовать описанную в [5, 6] процедуру представления периодической зависимости диаграммы направленности с помощью ряда Котельникова.

Следует отметить, что в работах [5, 6] речь шла об аппроксимации амплитудно-фазового распределения измеряемого поля, регистрируемого в конечном числе точек на контуре определенного диаметра. При этом учитывался тот факт, что отсчеты поля ип = и [рп)

(рп = 2р(п -1)/ N, п = 1,2,..., N), полученные в ходе измерений N - элементной антенной решеткой, принимались за отсчеты некоторой непрерывной периодической функции и(р) с периодом 2р описывающей непрерывное распределение поля по окружности радиуса Я , взятые через промежутки 1/(2^) (где ^ = 1/(4р/N)). А сама функция и(р) при этом считалась представимой в виде ряда Котельникова:

и

В данной работе рассматривается возможность аппроксимации амплитудной и фазовой диаграмм направленности антенной решетки, что является полной аналогией рассматриваемым в [5, 6] случаям.

Для апробации предложенной методики использовалась модель существующей стационарной пеленгаторной двухлитерной антенной решетки, представленная на рис. 2. Исследуемый диапазон частот был выбран от 100 до 150 МГц, как диапазон, в котором функционирует нижняя литера данной АР.

Антенная решетка имела следующие габаритные размеры: высота мачты - 4000 мм, диаметр - 50 мм, элементы низкочастотной литеры располагались на высоте 3000 мм от основания антенной решетки, общая высота антенных

элементов составляла 1050 мм (нижняя литера) и 650 мм (верхняя литера). Элементы нижней литеры были закреплены на штангах длиной 590 мм, верхней - 320 мм. Сами антенные элементы представляли собой симметричные вибраторы, диаметром 20 мм, нагруженные на сопротивление 50 Ом. Имитация блоков коммутации осуществлялась с помощью двух цилиндров, высотой 100 мм и диаметрами 400 мм и 300 мм для нижнего и верхнего цилиндра, соответственно.

С целью имитации наличия почвы под антенной решеткой при численных экспериментах использовалась подстилающая поверхность

П 1 См

с удельной проводимостью У = 0.1-----.

м

Для изображенной на рис. 2 модели определялись амплитудная и фазовая диаграммы направленности в азимутальной плоскости для антенных элементов нижней литеры во всем исследуемом частотном диапазоне с шагом 0.5 МГц.

Из полученной базы данных ДН выбирались значения с шагом по азимутальному углу в 10 градусов, а далее, осуществлялась аппроксимация амплитудной и фазовой диаграммы направленности с использованием ряда Котельникова (1).

Рис. 2. Модель исследуемой стационарной антенной решетки

На рис. 3 в качестве примера приведены зависимости амплитудной (АДН) и фазовой (ФДН) диаграмм направленностей для первого элемента АР на частоте 125 МГц. Точками обо-

п=-¥

значены отсчеты, снятые через 10 градусов, сплошными линиями - аппроксимированные зависимости.

Рис. 3. Аппроксимированные зависимости амплитудной (а) и фазовой (б) диаграммы направленности первого элемента исследуемой АР

Как видно, использование ряда Котельникова позволяет с высокой точностью предсказать поведение зависимостей АДН и ФДН в промежутках между контрольными точками.

Для определения направления на ИРИ использовался амплитудно-фазовый интерференционно-корреляционный метод, заключающийся в отыскании максимума коэффициента взаимной корреляции кг(р,в) измеренного и“м' и

эталонного иэптш1' (р,в) амплитудно-фазовых распределений (АФР) [10]. В качестве эталонного АФР использовались аппроксимированные рядом Котельникова измеренные комплексные диаграммы направленности антенной

решетки иэптсш- (р) = Ап (р) • ехр( • Фп (р)),

п = 1.Я:

кг (р,в) =

£и"м. ипг'ір)

N 2 N 2

£ М  £\и:тР)

И=1 И=1

шах

где ре [0;2р] - текущее значение азимута; в е [0; р] - текущее значение угла места.

Полученные с помощью (2) значения пеленгов сравнивались с вычисленными значениями, без учета комплексных диаграмм направленностей, в предположении радиопро-зрачной антенной решетки.

На рис. 4 изображены зависимости пеленгов для вариантов прихода волн с 26 и 151 градуса. Угол отсчитывался против направления движения часовой стрелки от первого антенного элемента (рис. 2). Пунктирными линиями изображены зависимости пеленга без учета диаграммы направленности антенной решетки, сплошными - с учетом.

Как видно, использование аппроксимированных ДН в процессе определения направления на ИРИ позволяет полностью исключить ошибку в определении азимутального положения источника радиоизлучения. Подобная картина наблюдается во всем исследуемом частотном диапазоне для всех вариантов азимутальных направлений прихода электромагнитной волны.

Помимо данных численного моделирования, представленных выше, использовались данные натурных измерений реально существующей антенной решетки, модель которой представлена на рис. 2. В процессе калибровки обмер данной антенной решетки осуществлялся с шагом в 30 градусов по азимуту.

Рис.4. Частотные зависимости определенных пеленгов при истинном азимуте источника радиоизлучения:

а) рист. = 26 ; б) рист. = 151

Описанная выше процедура аппроксимации измеренных АДН и ФДН с помощью ряда Котельникова (1) и процедура определения на-

N

п=1

правления на ИРИ с учетом аппроксимированных АФР (2) была использована в процессе исследований натурно измеренных данных.

На рис. 5 показан выигрыш в процедуре пеленгования при использовании БД из измеренных ДН. Как и на рис. 4, сплошными линиями изображены зависимости, полученные с учетом ДН антенной решетки, пунктирными-без учета.

а)'

Фпел.’ 121,--------------------------------------

120-гп-гг-1-;-----------п----------1---L-1------

:: и

• ** о*

• *• 'J м ! is

• 'I . м : Н|

1191—t—I !_SJ_!--------Lb-----------------------

100 110 120 130 140 150

fМГц

б)

Рис.5. Зависимости пеленгов для натурных данных при истинном азимуте ИРИ: а) <рист = 300 ;

б) (рист= 1200

Таким образом, на основании результатов численных экспериментов, а также натурных измерений, можно сделать вывод, что при калибровке антенной решетки возможно осуществлять формирование эталонного амплитуднофазового распределения на элементах АР (комплексной ДН) с достаточно большим угловым шагом, а далее, используя аппроксимацию полученных дискретных отсчетов с помощью ряда Котельникова [5, 6], восстанавливать значения АФР между дискретными отсчетами. Применяя полученные аппроксимированные значения в качестве эталонных при процедуре амплитудно-фазового интерференционно-

корреляционного метода поиска направления на источник радиоизлучения, можно добиться существенного снижения инструментальной погрешности пеленгования (в идеале - до нуля).

Дальнейшим совершенствованием процедуры калибровки может являться аппроксимация значений базы данных эталонных сигналов в частотной области. Следует отметить, что, хотя основная трудность при калибровке заключается именно в формировании базы эта-

лонных сигналов с элементов антенной решетки при изменении угловых координат источника радиоизлучения, тем не менее, возможность аппроксимации значений в частотной области является перспективным. В том числе, и из тех соображений, что появляется возможность восстановления утерянных значений эталонных сигналов из базы данных в случае повреждения в процессе эксплуатации антенной системы, используя сохранившиеся.

Литература

1. www.rohde-schwarz.com.

2. www.tcibr.com.

3. Пастернак Ю.Г., Рембовский Ю.А. Структура поля в области расположения кольцевой антенной решетки мобильного базирования / Антенны. 2007. № 1(116). С. 3034.

4. Пастернак Ю.Г., Рембовский Ю.А. Метод восстановления электромагнитного поля на плоскости вблизи трехмерного рассеивателя / Антенны. 2007. № 7(122). С. 43-48.

5. Ашихмин А.В., Негробов В.В., Пастернак Ю.Г., Рембовский Ю.А. Использование степенных рядов для формирования «виртуальных» антенных решеток вблизи рассеивателей сложной формы / Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т. 5. № 8. С. 166-170.

6. Ашихмин А.В., Негробов В.В., Пастернак Ю.Г., Рембовский Ю.А. Исследование возможности описания пространственного распределения поля вблизи антенной системы мобильного радиопеленгатора с помощью ряда Лорана / Телекоммуникации. 2009. № 11. С. 18-23.

7. Ашихмин А.В., Негробов В.В., Пастернак Ю.Г., Рембовский Ю.А., Сысоев Д.С. Повышение точностных характеристик комплексов радиоразведки на основе аппроксимации электромагнитного поля с использованием метода вспомогательных источников. "Информация и безопасность". №1. 2011. С. 133-136.

8. Ашихмин А.В., Негробов В.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рембовский Ю.А. Исследование эффективности метода «виртуальной» антенной решетки при изменении геометрии корпуса носителя мобильного радиопеленгатора / Антенны. 2010. № 1(152). С. 49-54.

9. Ашихмин А.В., Негробов В.В., Пастернак Ю.Г., Рембовский Ю.А. Исследование физико-математической модели, описывающей «виртуальную» антенную решетку, сформированную вблизи трехмерного рассеивателя. Антенны. № 6 (157). 2010. С. 43-59.

10. Ашихмин А.В., Негробов А.В., Негробов В.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рембовский Ю.А. Исследование кольцевой радиопеленгаторной антенной решетки, состоящей из экспоненциально расширяющихся щелевых элементов, нагруженных широкополосными электрическими вибраторами. // Антенны. 2010. № 6 (157). С. 60-66.

11. Ашихмин А.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рембовский Ю. А. Синтез и анализ антенной системы полноазимутального комплекса пеленгования источников радиоизлучения СВЧ- диапазона волн с произвольной поляризацией // Системы управления и информационные технологии. 2007. № 3.1 (29). С. 112-118.

12. Рембовский Ю.А. Разработка и исследование антенной системы мобильного радиопеленгатора с повышенной чувствительностью и возможностью приема волн с произвольной поляризацией // Антенны. 2008. № 7-8(134-135). С. 16-27.

13. Ашихмин А.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рембовский Ю.А. Использование электрических вибраторов, запитываемых щелевыми линиями, для повышения чувствительности и снижения числа литер приемной антенной системы // Антенны. 2008. № 7-8(134-135). С. 3643.

14. Ашихмин А.В., Негробов А.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рембовский Ю.А. Макетирование одиночных антенных элементов, входящих в состав радиопеленгатор-ных антенных решеток, работающих в сверхшироком диапазоне волн. // Проектирование радиоэлектронных и

лазерных устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ. 2009. С. 15-21.

15. Ашихмин А.В., Негробов А.В., Негробов В.В., Пастернак Ю.Г., Рембовский Ю.А. Разработка и исследование антенной системы для скрытной передачи информации в режиме приема и излучения сверхкоротких видеоимпульсов. "Информация и безопасность". №1 2011. С. 91-96.

Воронежский государственный технический университет Научно-производственное предприятие ЗАО «ИРКОС», г. Москва

UPGRADING OF RECEIVING ANTENNA SYSTEMS' CALIBRATION PROCEDURE A.V. Ashihmin, Yu.E. Kalinin, V.V. Negrobov, Yu.G. Pasternak

The results of the researches which were directed on an establishment of an opportunity of upgrading of antenna system's calibration procedure, that is based on formation of the database of calibration signals from elements of antenna array are submitted. With use of the data of electrodynamics modeling, and also full-scale tests results, a high efficiency of the offered procedure is shown

Key words: calibration, approximation, antenna system, directional diagram