ПЕЛЕНГАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)
DIRECTION-FINDING DEVICE (VERSIONS)

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в фазовых и амплитудных пеленгаторах диапазона СВЧ, вплоть до 18 ГГц.
Известен фазовый пеленгатор (Пат.US №4494118, 15.01.85), который содержит N приемных радиоканалов, гетеродинный генератор, блок контроля и блок обработки и управления. Пеленгационное устройство (фиг.1) содержит два радиоканала (в общем случае N радиоканалов), каждый из которых содержит приемные антенны 1-1 и 1-2, сумматоры 2-1 и 2-2, смесители 3-1 и 3-2 и усилители промежуточной частоты (УПЧ) 4-1 и 4-2, а также гетеродинный генератор 5, блок контроля, включающий последовательно соединенные контрольный генератор 6 и переключатель 7 контрольного генератора, выходы которого соответственно через последовательно соединенные делители мощности на два канала 8-1 и 8-2 и двухканальные переключатели 9-1 и 9-2 подсоединены к вторым входам сумматоров 2-1 и 2-2 соответственно. Вторые выходы делителей мощности на два канала соединены соответственно с соединительной линией 10 через двухканальные переключатели 10-1 и 10-2. Выходы УПЧ 4-1 и 4-2 подсоединены соответственно к входам блока обработки и управления 11, в который входит фазометр. В качестве сумматоров 2-1 и 2-2 используют направленные ответвители со слабой связью.
Входные сигналы принимаются антеннами пеленгатора 1-1 и 1-2, преобразуются по частоте смесителями 3-1 и 3-2, усиливаются УПЧ 4-1 и 4-2 и поступают в блок обработки и управления 11, где с помощью фазометра определяется разность фаз сигналов, поступающих из первого и второго каналов, и определяется пеленг источника радиоизлучений. Для определения систематических ошибок, возникающих из-за фазовой не идентичности радиоканалов, в момент отсутствия входных сигналов блок обработки и управления 11 по специальной программе включает контрольный генератор 6 и осуществляет управление переключателями 7, 9-1, 9-2, 10-1 и 10-2. Проверка идентичности радиоканалов осуществляется в два этапа. На первом этапе через первый выход переключателя сигнал контрольного генератора 6 подключается к входу делителя мощности на два канала 8-1 и далее через первый выход этого делителя и первый вход переключателя 9-1 подключается к второму входу сумматора 2-1, через который он поступает в первый радиоканал. При этом связь между вторым выходом переключателя 7 и входом делителя мощности на два канала 8-2, а также связь между входом переключателя 9-1 и первым выходом переключателя 10-1 отсутствуют. Со второго выхода делителя мощности на два канала 8-1 сигнал контрольного генератора 6 через переключатель 10-1 и соединительную линию 10 поступает на первый вход переключателя 10-2 и через его второй вход и второй вход переключателя 9-2, минуя второй делитель мощности на два 8-2, который отключен от переключателей 7, 10-2 и 9-2, поступает на второй вход сумматора 2-2 и через него во второй радиоканал.
Сигналы, прошедшие через первый и второй радиоканалы, поступают в блок обработки и управления 11, в котором производится измерение их разности фаз.
На втором этапе сигнал контрольного генератора через второй выход переключателя 7 подводится к входу делителя мощности на два канала 8-2 и через первый вход переключателя 9-2 и второй вход сумматора 2-2 - во второй радиоканал, а через переключатель 10-2, соединительную линию 10, переключатели 10-1 и 9-1, минуя делитель мощности на два канала 8-1, ко второму входу сумматора 2-1 и через него - в первый радиоканал. Далее сигналы, прошедшие через первый и второй радиоканалы, поступают в блок обработки и управления 11, в котором производится измерение их разности фаз. Сравнение значений разности фаз, измеренных на первом и втором этапах, позволяют определить фазовую идентичность первого и второго радиоканалов. Сумма значений разностей фаз, полученных на двух этапах калибровки, соответствует удвоенной разности фаз двух сравниваемых каналов (подробнее в разделе «Второй этап калибровки (1-ый вариант)»). Разность этих фаз соответствует разности электрических длин измеряемых радиоканалов. Эта разность может быть учтена при расчете пеленга источника радиоизлучения или использована для корректировки электрических длин радиоканалов с помощью специальных управляемых корректоров, например фазовращателей, которые могут быть введены в один или оба радиоканала. Соединительная линия не оказывает влияния на точность измерений, т.к. вносимые ею фазовые сдвиги компенсируются при сравнении результатов, полученных на первом и втором этапах измерений.
Недостатком данного устройства является узкая полоса рабочих частот и зависимость систематической ошибки измерений идентичности радиоканалов от фазовой неидентичности элементов в цепи контроля - делителей мощности, переключателей. Из-за этого, например, при одинаковых электрических длинах радиоканалов разности фаз контрольных сигналов, измеренных на выходе этих радиоканалов, на первом и втором этапах измерений, будут отличаться друг от друга, несмотря на идентичность радиоканалов, будет существовать фиктивная систематическая ошибка фазовых измерений, которая в свою очередь уменьшит точность измерения пеленга источника радиоизлучений.
Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является пеленгационное устройство СВЧ и его варианты (Пат. RU №2269791, G01S 3/10, G01S 7/40. Бюл. №4 от 10.02.2006). Структурные схемы по первому и второму вариантам изобретения - прототипа приведены на фиг.2. и 3 соответственно.
По первому варианту исполнения изобретения прототипа (фиг.2) пеленгационное устройство содержит N приемных радиоканалов, состоящих из N приемных антенн 1-1, 1-2, 1-3, … 1-N, N ненаправленных элементов связи 2-1, 2-2, 2-3, …, 2-N, N смесителей 3-1, 3-2, 3-3, …, 3-N, N усилителей промежуточной частоты (УПЧ) 4-1, 4-2, 4-3, …, 4-N. Гетеродинные входы смесителей 3-1, 3-2, 3-3, …, 3-N подключены к выходу гетеродина 5. Устройство также содержит контрольный генератор 6, соединенный с входным плечом первого двухканального переключателя 7, второй и третий двухканальные переключатели 8 и 9. Выходы УПЧ 4 всех приемных радиоканалов подключены к соответствующим входам блока обработки и управления 10. Входное плечо первого переключателя 7 присоединено к выходу контрольного генератора 6. Входные плечи переключателей 8, 9 соединены соответственно с третьим плечом 2-1 и четвертым плечом 2-N ненаправленных элементов связи, первые выходные плечи этих переключателей присоединены к выходным плечам переключателя 7, а их вторые выходные плечи присоединены соответственно к согласованным нагрузкам 11 и 12. Четвертое плечо ненаправленного элемента связи каждого приемного радиоканала кроме последнего соединено с третьим плечом ненаправленного элемента связи последующего приемного радиоканала, а именно четвертое плечо ненаправленного элемента связи 2-1 соединено с третьим плечом ненаправленного элемента связи 2-2, четвертое плечо ненаправленного элемента связи 2-2 соединено с третьим плечом ненаправленного элемента связи 2-3 и т.д., при этом четвертое плечо ненаправленного элемента связи 2-N N-го приемного радиоканала соединено с входным плечом третьего двухканального переключателя 9.
По второму варианту исполнения изобретения прототипа (фиг.3) пеленгационное устройство содержит N приемных радиоканалов, состоящих соответственно из последовательно соединенных 1-1, 1-2, 1-3, … 1-N приемных антенн, N ненаправленных элементов связи 2-1, 2-2, 2-3, …, 2-N смесителей 3-1, 3-2, 3-3, …, 3-N, УПЧ 4-1,4-2, 4-3, …, 4-N, соединенных с входами блока обработки и управления 10, гетеродина 5, выход которого соединен с гетеродинными входами смесителей 3-1, 3-2, 3-3, …, 3-N. Устройство также содержит контрольный генератор 6, соединенный с первым выходным плечом первого двухканального переключателя 7, второе выходное плечо которого нагружено на согласованную нагрузку 11, а входное плечо соединено с третьим плечом ненаправленного элемента связи 2-1 первого приемного радиоканала, дополнительный контрольный генератор 9, выход которого подключен к второму выходному плечу второго двухканального переключателя 8, первое выходное плечо которого нагружено на согласованную нагрузку 12, а входное плечо соединено с четвертым плечом ненаправленного элемента связи 2-N N-го приемного радиоканала, при этом четвертое плечо ненаправленного элемента связи каждого приемного радиоканала, кроме последнего (N-го), соединено с третьим плечом ненаправленного элемента связи последующего приемного радиоканала, а именно четвертое плечо ненаправленного элемента связи 2-1 соединено с третьим плечом ненаправленного элемента связи 2-2, четвертое плечо ненаправленного элемента связи 2-2 соединено с третьим плечом ненаправленного элемента связи 2-3 и т.д.
Устройство по первому варианту изобретения прототипа (фиг.2) работает следующим образом. Входные сигналы, принятые приемными антеннами, поступают соответственно через ненаправленные элементы связи на сигнальные входы смесителей, где с помощью сигнала гетеродина несущие частоты входных сигналов преобразуются в диапазон промежуточных частот. Затем эти сигналы усиливаются УПЧ и далее поступают на блок обработки и управления, в котором осуществляются фазовые измерения (в случае фазового пеленгатора) или амплитудные измерения (в случае амплитудного пеленгатора) и вырабатываются согласно заданной программе сигналы, управляющие двухканальными переключателями 7, 8 и 9.
Проверка фазовой или амплитудной идентичности радиоканалов производится в два этапа в отсутствии входных сигналов. На первом этапе, согласно заданной программе, сигнал контрольного генератора 6 через первый двухканальный переключатель 7 и второй двухканальный переключатель 8 последовательно поступает через плечи ненаправленных элементов связи 2-1, 2-2, 2-3 и 2-N последовательно во все приемные радиоканалы от первого к N-му, а также через входное плечо и первое выходное плечо третьего двухканального переключателя 9 в согласованную нагрузку 12. При этом второе выходное плечо третьего двухканального переключателя 9 и первая согласованная нагрузка 11 с помощью первого двухканального переключателя 7 и второго двухканального переключателя 8 отключены от контрольного генератора 6. На втором этапе направление распространение контрольного сигнала изменяется на противоположное значение и происходит от N-го радиоканала к первому. Теперь сигнал контрольного генератора 6 через первый двухканальный переключатель 7, третий двухканальный переключатель 9 распространяется от ненаправленного N-го элемента связи N-го приемного радиоканала к ненаправленному элементу связи 2-1 первого приемного радиоканала и далее через второе выходное плечо второго двухканального переключателя 8 в первую согласованную нагрузку 11. При этом вторая согласованная нагрузка 12 с помощью третьего двунаправленного переключателя 9 отключается.
Ненаправленные элементы связи предназначены для ввода контрольных сигналов в приемные радиоканалы независимо от направления распространения этих сигналов (первого канала к N-му или от N-го к первому). Они также не должны существенно ослаблять входные сигналы, поступающие с выходов антенн на сигнальные входы смесителей, для чего связь между радиоканалами и контрольным трактом должна быть слабой (порядка минус 10÷30 дБ). В качестве таких ненаправленных элементов связи могут быть использованы, например, ненаправленные делители. При этом небольшая направленность не будет ухудшать качество измерений, если уровни мощности сигналов вне зависимости от их направления распространения будут оставаться в пределах динамического диапазона приемных радиоканалов. Проверка фазовой или амплитудной идентичности приемных радиоканалов проводится для выбранных пар приемных радиоканалов, причем все приемные радиоканалы можно разбить на пары и последовательно сравнивать их параметры, либо взять один приемный радиоканал в качестве базового канала и сравнивать с ним остальные приемные радиоканалы. Измерения проводятся в два этапа, отличающиеся друг от друга направлением распространения контрольных сигналов. Например, идентичность электрических длин двух приемных радиоканалов однозначно характеризуется разностью фаз контрольных сигналов, измеренных в блоке обработки и управления 10. В данном устройстве разность фаз будет зависеть только от фазовой идентичности выбранных радиоканалов, и не будет зависеть от параметров элементов цепи калибровки и фазовой идентичности трактов, через которые подводятся к радиоканалам контрольные сигналы, поскольку вносимые ими ошибки будут взаимно скомпенсированы в конечном результате измерений.
Таким образом, полученные значения разностей фаз однозначно характеризуют фазовые не идентичности выбранных радиоканалов и могут быть учтены в конечном результате определения пеленга источника радиоизлучения или скомпенсированы с помощью управляемого фазовращателя, включенного в один или оба радиоканал выбранной пары. Аналогичным образом могут быть определены погрешности, возникающие при амплитудных измерениях в амплитудных пеленгаторах.
Недостатками первого варианта изобретения прототипа являются:
- погрешности пеленга, обусловленные отражением от антенн, так как из-за не направленной связи калибровочного канала с радиоканалами половина калибровочной мощности поступает в антенну и отражается от нее в радиоканал со своей амплитудой и фазой;
- погрешности пеленга, вызванные взаимодействием соседних антенн по боковым лепесткам их диаграмм направленности по эфиру и вызывающие дополнительные отражения в свой радиоканал в режиме калибровки, которые не компенсируются в этом режиме и не совпадают с аналогичным взаимодействием в рабочем режиме;
- погрешности пеленга из-за разности длин трактов и соединительных кабелей от точки ввода калибровочной мощности в радиоканал до антенн, так как калибруются только части радиоканалов, расположенные после этой точки ввода.
Второй вариант изобретения прототипа работает аналогично первому варианту. Проверка фазовой и амплитудной идентичности приемных радиоканалов проводится в нем также в два этапа. На первом этапе согласно заданной программе сигнал первого контрольного генератора 6 через двухканальный переключатель 7 и последовательно через ненаправленные элементы связи поступает во все приемные радиоканалы - от первого к N-му и далее через второй двухканальный переключатель 8 во вторую согласованную нагрузку 12. При этом первая согласованная нагрузка 11 с помощью первого двухканального переключателя 7 и второй контрольный генератор 13 с помощью второго двухканального переключателя 8 отключаются. На втором этапе измерений включается второй контрольный генератор 13, а направление распространения контрольного сигнала изменяется на противоположное направление от N-го приемного радиоканала к первому. При этом вторая согласованная нагрузка 12 с помощью второго переключателя 8 и первый контрольный генератор 6 с помощью первого переключателя 7 отключаются. Для упрощения устройства и упрощения процесса измерений необходимо контрольные генераторы 6 и 13 настраивать на одну и ту же частоту.
Второй вариант изобретения прототипа имеет недостатки первого варианта. Стоимость первого варианта прототипа меньше второго из-за отсутствия второго калибровочного генератора.
Технический результат изобретения - уменьшение погрешностей пеленгования и расширение рабочего диапазона в сторону высоких частот.
Доказательство расширения рабочего диапазона в сторону высоких частот.
НО на обычной микрополосковой линии (МПЛ) не позволяет получить слабую связь менее минус 15 дБ, поскольку развязка с основным каналом для такой линии составляет тоже минус 15 дБ (фактически НЭС, получается всенаправленная связь). Известные нам модификации НО со слабой связью на МПЛ не позволяют подняться по частоте выше 10 ГГц. В изобретении используется НО со слабой связью на подвешенной полосковой линии (ППЛ) на поликоровой плате без экрана, который позволяет получить слабую связь минус 20 дБ при развязке минус 30 дБ (фиг.14). Использование такого НО приводит к некоторому усложнению СВЧ схемы устройства (используются две разные платы, фиг.10,11) и нагрузка специального вида, но обеспечивает технический результат. Развязка минус 30 дБ позволяет пренебречь влиянием отражений от антенны на погрешность калибровки.
Таким образом, достижение технического результата получается за счет использования НО со слабой связью на ППЛ и конструкции узла, состоящего из двух плат, на одной из которых располагается НО, а на другой симметрирующее устройство.
Описание технических решений по изобретению
Технической задачей изобретения является повышение точности пеленгации и расширение рабочего диапазона в сторону высоких частот.
Технический результат изобретения - погрешность определения пеленга на порядок меньше чем у прототипа и в обоих случаях зависит от частоты сигнала.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена структурная схема аналога изобретения.
На фиг.2 представлена структурная схема первого варианта ближайшего аналога изобретения, принятого за прототип первого и третьего варианта изобретения.
На фиг.3 представлена структурная схема второго варианта ближайшего аналога изобретения, принятого за прототип второго варианта изобретения.
На фиг.4 представлена структурная схема первого варианта изобретения.
На фиг.5 представлена структурная схема второго варианта изобретения.
На фиг.6 представлена структурная схема третьего варианта исполнения изобретения.
На фиг.7 представлена структурная схема блока управления.
На фиг.8 представлен вид на раскрыв антенны.
На фиг.9 представлен вид с боку корпуса контрольного узла с диаметральным поперечным сечением антенны.
На фиг.10 представлен вид с верху на топологический рисунок схемы контрольного узла.
На фиг.11 представлен вид с верху на платы внутри корпуса контрольного узла.
На фиг.12 представлен эскиз согласованной нагрузки.
На фиг.13 приведен расчетный график коэффициента отражения согласованной нагрузки в децибелах (дБ) в функции частоты от 6 до 18 ГГц.
22
11
13
14
На фиг.14. представлены расчетные графики амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) направленного ответвителя (НО) со слабой связью, выполненного на подвешенной полосковой линии (ППЛ). По оси абсцисс отложена рабочая частота в ГГц, по оси ординат отложены значения разных коэффициентов матрицы рассеяния направленного ответвителя (НО) в дБ. Коэффициент матрицы S равен коэффициенту S. На графиках кривая, помеченная значком Δ, соответствует коэффициенту отражения, значком - коэффициенту связи S, значком коэффициенту развязки S.
На фиг.15 представлен график расчетных значений коэффициента отражения для перехода от подвешенной полосковой линии (ППЛ) к микрополосковой линии (МПЛ) при соединении линий, расположенных на разных платах.
На фиг.16а, б представлены электрические схемы переключателей контрольных сигналов на два 16а и на три канала 16б.
На фиг.17 приведена таблица значений погрешностей определения пеленга для прототипа и изобретения.
На фиг.18 представлена конструкция ненаправленного элемента связи в виде резистивного ответвителя.
На фиг.19 представлена конструкция штыревого разъема в разрезе.
На фиг.20 представлена расчетная кривая отраженной мощности от штыревого разъема. По оси абсцисс отложена частота в ГГц, по оси ординат - мощность в дБ.
На фиг.21 представлены амплитудно-частотные характеристики для элемента НЭС с резистивным ответвителем. По оси абсцисс отложена частота в ГГц, по оси ординат -мощность в дБ. На фиг.21 обозначено:
-  - ответвленная мощность;
- Δ - отраженная от входа мощность.
Потери прошедшей мощности по основному каналу составляют 1,2 дБ.
На фиг.22 представлена расчетная таблица оценок погрешностей пеленгации в случае использования элементов НЭС в виде резистивного ответвителя.
На фиг.4, 5 и 6 введены обозначения элементов структурных схем вариантов исполнения изобретения:
1-1, 1-2, …, 1-N - приемные антенны;
2-1, 2-2, …, 2-N - ненаправленные элементы связи (НЭС);
3-1, 3-2, …, 3-N - смесители;
4-1, 4-2, …, 4-N - усилители промежуточной частоты (УПЧ);
5 - гетеродин (гетеродинный генератор);
6, 6.1 и 6.2 - генераторы контрольных сигналов (ГКС);
7.1, 7.2 и 7.3 - двухканальные переключатели контрольных сигналов (ПКС2);
8.1, 8.2, 8.3 и 8.4 - согласованные нагрузки (СН);
9 - блок обработки и управления (БУ);
10-1, 10-2, …, 10-N - контрольные узлы;
11-1, 11-2, …, 11-N- малошумящие усилители (МШУ);
12 - делитель мощности (ДМ);
13.1, 13.2 - трехканальные переключатели контрольных сигналов (ПКСЗ).
На фиг.4, 5 и 6 введено двойное цифровое обозначение позиций: первая цифра означает номер функционального узла, вторая цифра означает порядковый номер конкретного функционального узла в структурной схеме пеленгационного устройства. Единственный узел в структурной схеме пеленгационного устройства обозначается одной цифрой или числом.
На фиг.7 узлы блока управления 9 обозначаются числами первой сотни.
101 - узел оцифровки сигналов в радиоканалах 1, 2, … N;
102 - узел управления режимами работ блоков устройства пеленгации;
103 - программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС);
104 - шина связи.
На фиг.8, 9, 10, 11, 12 узлы контрольного устройства 10-i обозначаются числами второй сотни.
201 - двухзаходная спираль (излучатель антенны);
202 - объемный резонатор антенны, формирующий диаграмму направленности антенны;
203 - корпус контрольного устройства;
204 - фланец корпуса 203 с коническим выступом 205;
205 - полый конический выступ со срезанной вершиной и сквозным коническим отверстием по ее центру;
206 - диэлектрическая плата без экрана на обратной стороне предназначена для размещения СВЧ элементов на подвешенной полосковой линии (ППЛ) и выполнена из поликора;
207 - основное плечо направленного ответвителя (НО) со слабой связью, порядка минус 20 дБ;
208 - боковое плечо НО;
213 - резистивная площадка согласованной нагрузки на плате 206;
214 - металлизированные площадки согласованной нагрузки, выполненные на лице платы 206;
215 - металлизированные площадки, выполненные на обратной стороне платы 206;
216 - вторая диэлектрическая плата с экраном на обратной стороне выполнена из материала типа RO3006;
217 - отрезок микрополосковой линии (МПЛ) на плате 216, соединяющий вход НО с лицевым проводником 218 симметрирующего устройства (фиг.10).
218 - проводник симметрирующего устройства на лицевой стороне платы 216, соединяющий отрезок 217 МПЛ с проводником двухпроводной линии 220 на лицевой стороне платы;
219 - проводник симметрирующего устройства на обратной стороне платы 216, соединяющий экран МПЛ с проводником двухпроводной линии 220 на обратной стороне платы;
220 - двухпроводная линия, соединенная с входом двухзаходной спирали антенны;
221 - металлизированная площадка на плате 216;
222 - металлизированные отверстия на площадке 221 платы 216;
223 - металлическая перемычка, соединяющая отрезки линий 210 и 217;
224 - металлические перемычки, соединяющие металлизированные площадки 214 с 221;
227 - коаксиальный СВЧ разъем, через который контрольный узел 10-к соединяется с МШУ 11-к;
228 - коаксиальный СВЧ разъем, через который контрольный узел 10-к соединяется с элементом 2-к контрольного канала;
На фиг.16а элементы электрической схемы переключателей сигналов на два канала (ПКС2) обозначены числами третьей сотни.
301 - контакт для сигнала, управляющего напряжения.
302 - резистор, обеспечивающий напряжение управления состоянием диода. 303.1, 303.2 и 303.3 - индуктивности, развязывающие цепь постоянного тока от СВЧ цепи.
304.1 и 304.2 - pin-диоды.
305 - вход СВЧ сигнала.
306 - первый выход СВЧ сигнала.
307 - второй выход СВЧ сигнала.
На фиг.166 элементы электрической схемы переключателя на три канала (ПКСЗ) обозначены числами четвертой сотни.
401.1 и 401.2 - контакты для подачи управляющего напряжения.
402.1 и 402.2 - резисторы, обеспечивающие напряжение управления состояниями диодов.
403.1 - 403.5 - индуктивности, развязывающие цепь постоянного тока от СВЧ цепей.
404.1 и 404.2- pin-диоды.
405.1, 405.2 - СВЧ согласованные нагрузки без заземления.
406 - вход СВЧ сигнала.
407 - выход СВЧ сигнала.
408, 409, 410, и 411 -точки соединения СВЧ - элементов схемы. Переключатели 7.1, 7.2 и 7.3 выполнены по принципиальной электрической схеме фиг.16а, а переключатели 13.1 и 13.2 по схеме 166.
На фиг.18 введены обозначения структурных элементов резистивного ответвителя:
501, 502 - стандартные гнездовые разъемы (СРГ-50-751 ФВ ВРО.364.049 ТУ);
503 - штыревой разъем;
504 - корпус;
505 - пленочный резистор R=100 Ом, с поверхностным сопротивлением 100 Ом/а;
506 - линия основного канала на ППЛ;
507 - линия резистивного ответвителя.
На фиг.19 введены обозначения структурных элементов штыревого разъема;
601 - центральный штырь;
602 - гайка;
603 - корпус разъема;
604, 605 - фторопластовые шайбы;
606 - фиксирующее кольцо;
607 - пружина;
608 - корпус НЭС;
609 - плата с резистивным ответвителем.
Переключатель 7.1 СВЧ входом 305 соединен с выходом генератора 6. Первый выход переключателя 7.1. соединен с первым выходом переключателя 7.2, вход которого соединен с входом-выходом элемента связи 2-1. Второй выход переключателя 7.2 соединен с согласованной нагрузкой 8.1. Переключатель 7.3 СВЧ входом 305 соединен с входом-выходом элемента связи 2-N. Первый выход 306 переключателя соединен с согласованной нагрузкой 8.2, а второй выход 307 переключателя 7.3 соединен со вторым выходом переключателя 7.1.
Переключатель 7.1 обеспечивает соединения: при минусе на контакте 301 соединены СВЧ входы 305, 306, а при плюсе на контакте 301 соединены СВЧ входы 305 и 307.
Переключатели 13.1 и 13.2 обеспечивают три соединения: при плюсе на контакте 401.1 и минусе на контакте 401.2 соединены СВЧ вход 406 с согласованной нагрузкой 405.1, а СВЧ выход 407 с нагрузкой 405.2, обеспечивается два соединения, при минусе на контакте 401.1 и плюсе на контакте 401.2 соединены СВЧ входы 406 с СВЧ выходом 407, обеспечивается еще одно соединение.
Первый вариант исполнения изобретения (фиг.4)
Технический результат по этому варианту изобретения достигается благодаря тому, что пеленгационное устройство содержит: N приемных радиоканалов, состоящих из N приемных антенн 1-1, 1-2, 1-3, … 1-N, N контрольных узлов 10-1, 10-2, …, 10-N, N малошумящих усилителей 11-1, 11-2, …, 11-N, N смесителей 3-1, 3-2, 3-3, …, 3-N и N усилителей промежуточной частоты (УПЧ) 4-1, 4-2, 4-3, …, 4-N.
Кроме того, пеленгационное устройство содержит контрольный радиоканал, который состоит из контрольного генератора 6, трех переключателей 7.1, 7.2 и 7.3, двух согласованных нагрузок 8.1, 8.2 и N ненаправленных элементов связи 2-1, … 2-N.
Пеленгационное устройство также содержит: гетеродин 5 и блок управления 9.
Все N антенн идентичны и предназначены для приема радиосигнала и могут быть выполнены, например, спиральными, рупорными и др. СВЧ диапазона волн. Антенны собранны в линейную или плоскую фазированную антенную решетку (ФАР) пеленгационного устройства. Один или несколько радиоканалов пеленгационного устройства служат радиоканалом опорного сигнала для измерения разности фаз радиосигналов других каналов.
Ненаправленные элементы связи (НЭС) 2-1, 2-2, 2-N предназначены для передачи контрольного сигнала генератора 6 на входы N контрольных узлов 10-1, 10-2, …, 10-N пеленгационного устройства. НЭС могут быть выполнены на перекрещивающихся слабосвязанных линиях СВЧ на резистивных делителях мощности. Каждый НЭС имеет с одной стороны основной линии вход- выход и выход-вход с другой стороны, и выход боковой линии.
Смесители 3-1, 3-2, …, 3-N предназначены для преобразования высокой частоты радиосигнала в промежуточную частоту и имеют вход радиосигнала, вход гетеродинного сигнала и выход сигнала промежуточной частоты. Смесители могут быть выполнены на диодах по известным схемам СВЧ.
Усилители промежуточной частоты (УПЧ) 4-1, 4-2, …, 4-N могут быть выполнены на транзисторах по известным схемам УПЧ.
Сигнал гетеродина 5 предназначен для преобразования радиосигналов высокой частоты в сигналы промежуточной частоты (ПЧ) с помощью смесителей. Гетеродин 5 может быть выполнен на транзисторах по известным схемам СВЧ генераторов.
Генератор 6 контрольных сигналов предназначен для калибровки пеленгационного устройства в контрольном режиме работы. Перестраиваемые гетеродин 5 генератор 6 выполняются на транзисторах по известным схемам СВЧ генераторов. На частотах 1-2 ГГц используется схема с общей базой на транзисторе с варакторным диодом для перестройки частоты. На более высоких частотах схема генератора дополняется умножителем частоты с фильтрами. Генератор 6 имеет рабочий диапазон частот, совпадающий с рабочим диапазоном пеленгационного устройства.
Переключатели третий 7.1, первый 7.2 и второй 7.3 выполнены двухканальными и предназначены для переключения направления подачи контрольного сигнала в радиоканалы на первом и втором этапах калибровки пеленгационного устройства от первого к 14-му радиоканалу и, наоборот, от N-ого к первому. В качестве переключателей может быть использован переключатель, принципиальная электрическая схема которого приведена на фиг.16а. Переключатель 7.1 имеет вход 301 сигналов управления, вход 305 контрольных сигналов СВЧ и выходы 306, 307 контрольных сигналов.
Согласованные нагрузки 8.1 и 8.2 предназначены для поглощения контрольного сигнала на разных концах линии контрольного канала на разных этапах калибровки и могут быть выполнены в пленочном исполнении. Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСТи) согласованных нагрузок должен быть менее 1,5, что соответствует отражению контрольного сигнала от входа нагрузки на уровне менее минус 16 дБ.
Блок управления БУ 9 предназначен для:
- управления работой гетеродина 5, генератора 6 и переключателей 7.1, 7.2, 7.3;
- оцифровки сигналов в радиоканалах 1, 2, …, N на выходах УПЧ 4-к;
- управления режимами калибровки и пеленгации;
- определения данных калибровки;
- определения данных пеленгации;
- корректировки данных пеленгации с учетом калибровки.
Блок управления 9 содержит (фиг.7): узел 101, который предназначен для оцифровки сигналов ПЧ радиоканалов 1,2, …, N, поступающих от УПЧ, и выполнен на аналого-цифровых преобразователях (АЦП) - комплектующее изделие, узел 102, который предназначен для обработки результатов измерений и организации работы БУ 9, представляющий собой процессор - комплектующее изделие для цифровой обработки сигналов (ЦОС), узел 103, который предназначен для включения и выключения управляемых узлов пеленгационного устройства, представляющий собой программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) - комплектующее изделие, узел 104, который предназначен для передачи цифровой информации от процессора 102 к ПЛИС 103.
Процессор 102 состоит из ОЗУ - оперативного запоминающего устройства и ПЗУ - постоянного запоминающего устройства.
ОЗУ предназначено для оперативного сохранения входных и выходных данных программ 102а-102г. ПЗУ предназначено для хранения программ 102а-102г.
Программа 102а предназначена для определения разности фаз между сигналом опорного радиоканала и сигналами всех остальных радиоканалов.
Программа 102б предназначена для определения калибровочных значений разностей фаз сигналов радиоканалов по отношению к сигналу опорного канала.
Программа 102в предназначена для корректировки разностей фаз сигналов пеленгации.
Программа 102г предназначена для управления рабочим и калибровочным режимами работы пеленгационного устройства. Данные программы 102г поступают через шину 104 на программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) 103.
На выходе ПЛИС подключены цифровые аналоговые преобразователи (ЦАП), которые преобразуют цифровые сигналы в аналоговые управляющие напряжения. Оператор - пользователь программирует ПЛИС в соответствии с требованиями режимов работы и управления этими режимами с помощью управляемых элементов пеленгационного устройства, к которым подключены выходы ЦАП.
БУ 9 в первом варианте исполнения изобретения имеет N входов сигналов промежуточной частоты (ПЧ) и 5 выходов управляющих сигналов: контрольного генератора 6, гетеродина 5 и трех переключателей 7.1, 7.2 и 7.3.
БУ 9 во втором варианте исполнения изобретения имеет N входов сигналов ПЧ и 5 выходов управляющих сигналов: контрольных генераторов 6.1 и 6.2, гетеродина 5 и двух переключателей 7.2 и 7.3.
БУ 9 в третьем варианте исполнения изобретения имеет N входов сигналов ПЧ и 4 выхода управляющих сигналов: контрольного генератора 6, гетеродина 5 и двух переключателей 13.1 и 13.2.
Контрольные узлы 10-1, 10-2, …, 10-N идентичны и предназначены для калибровки радиоканалов. Каждый контрольный узел содержит (фиг.9, 10, 11) корпус 203, к передней стенке 204 которого прикрепляется резонатор 202 с антенной 201, радиосхему, состоящую из двух плат 206 с элементами подвешенной полосковой линии (ППЛ) и 216 с элементами микрополосковой линии (МПЛ) и двух проводной линии. В радиосхему контрольного узла (фиг.10) входят: НО, согласованная нагрузка, симметрирующее устройство и двухпроводная линия.
Основное плечо 207 НО соединено отрезком 210 ППЛ и отрезком 217 МПЛ с лицевым проводником 218 симметрирующего устройства, заканчивающегося первым лицевым отрезком двухпроводной линии 220. Экран платы 216 переходит в проводник 219 симметрирующего устройства, заканчивающийся вторым отрезком двухпроводной линии 220. Выход основного плеча 207 НО соединен с разъемом 227. Боковое плечо 208 НО соединено отрезком ППЛ 211 с разъемом 228, выход бокового плеча 208 отрезком 212 соединен с согласованной нагрузкой 213, металлические площадки 214, которой соединены с «землей» с помощью металлических перемычек 224 металлической площадки 221 с металлизированными отверстиями 222 с металлическим экраном - «землей» платы 216.
Контрольный узел имеет вход радиоканала, соединенный с антенной. Выход радиоканала, который также является выходом контрольного сигнала при калибровке, соединен через разъем 227 с входом МШУ радиоканала.
Контрольный узел имеет разъем 228, к которому присоединяется НЭС контрольного канала. Разъем 228 слабой связью связан с выходом радиоканала этого узла.
Первая диэлектрическая палата 206 выполнена из поликора без экрана на обратной стороне и предназначена для размещения элементов СВЧ на ППЛ (фиг.10, 11).
Вторая диэлектрическая палата 216 с экраном на обратной стороне предназначена для размещения элементов СВЧ контрольного устройства на МПЛ и двухпроводной линии (фиг.10, 11).
Малошумящие усилители МШУ 11-1, 11-2, …, 11-N идентичны и предназначены для усиления радиосигналов высокой частоты при малом уровне шума. Уровень шума не должен превышать 2 дБ. Усилители МШУ выполняются по известным схемам.
Соединение элементов схемы пеленгационного устройства по первому варианту исполнения изобретения (фиг.4)
В каждом i-ом радиоканале пеленгационного устройства антенна 1-i, контрольный узел 10-i, усилитель МШУ 11-i, смеситель 3-i и УПЧ 4-i. соединенны последовательно. Выход УПЧ 4-i соединен с входом 4-i сигнала промежуточной частоты блока управления (БУ) 9. Выход гетеродина 5 соединен со всеми гетеродинными входами N смесителей.
В контрольном радиоканале все N ненаправленных элементов связи (НЭС) 2-i соединены входами-выходами и выходами-входами последовательно. Выходы контрольных сигналов НЭС соединены с входами контрольных сигналов соответствующих контрольных узлов.
Переключатель 7.1 входом контрольного сигнала 305 соединен с выходом генератора 6. Первый выход контрольного сигнала переключателя 7.1. соединен с первым входом контрольного сигнала переключателя 7.3.
Второй выход контрольного сигнала переключателя 7.1. соединен с входом контрольного сигнала переключателя 7.2, вход-выход контрольного сигнала которого соединен с входом-выходом первого элемента связи 2.1. Второй выход контрольного сигнала переключателя 7.2 соединен с согласованной нагрузкой 8.1.
Переключатель 7.3 соединен выходом-входом 305 контрольного сигнала с входом-выходом последнего ненаправленного элемента связи 2-N. Выход контрольного сигнала переключателя 7.3 соединен с согласованной нагрузкой 8.2. Выходы согласованных нагрузок 8.1 и 8.2 соединены с общим проводником «землей».
При минусе на контакте 301 соединяются вход 305 контрольного сигнала и первый выход 306 контрольного сигнала, при плюсе на контакте 301 соединяются вход 305 контрольного сигнала и второй выход 307 контрольного сигнала.
Входы управляющих сигналов: гетеродина 5, генератора 6 и переключателей 7.1, 7.2, 7.3 соединены с соответствующими выходами БУ 9.
Калибровка и работа пеленгационного устройства первого варианта исполнения изобретения (фиг.4)
Калибровка радиоканалов пеленгационного устройства производится в два этапа при отсутствии пеленгационных радиосигналов.
Первый этап калибровки (1-ый вариант)
С помощью команд БУ 9 включаются генератор 6 и гетеродин 5, переключатели 7.1, 7.2 и 7.3 включаются в положение, когда вход 305 соединен с выходом 306. При этом выход генератора 6 соединяется через выход переключателя 7.1 с выходом 306 переключателя 7.2 и через вход 305 переключателя 7.2 соединяется с входом-выходом НЭС 2-1 калибровочного канала, а вход-выход НЭС 2-N, соединяется через вход 305 и выход 306 переключателя 7.3 с входом согласованной нагрузки 8.2.
Контрольный сигнал генератора 6 через переключатели 7.1 и 7.2 и ненаправленные элементы связи (НЭС) поступает на входы контрольных устройств, через боковые плечи НО 208 и основные 207 со слабой связью во все радиоканалы пеленгационного устройства, начиная с первого. Далее контрольный сигнал в радиоканале усиливается МШУ 11-i, преобразуется смесителем 3-i в сигнал промежуточной частоты (ПЧ), усиливается в УПЧ 4-i и поступает в блок управления БУ 9. В БУ 9 в узле 101 сигналы проходят оцифровку, в узле 102 с помощью программы 102а определяются значения амплитуд и разностей фаз сигналов радиоканалов относительно опорного радиоканала, соответствующие первому этапу. Эти значения сохраняются в ОЗУ узла 102. Выключают генератор 6.
Второй этап калибровки (1-ый вариант)
С помощью команд с БУ 9 переключатели 7.1, 7.2 и 7.3. переводятся в положение, когда соединяется вход 305 с выходом 307.
При этом выход генератора 6 соединяется через переключатели 7.1 и 7.3 с входом-выходом НЭС 2-N, а вход-выход НЭС 2-1, через переключатель 7.2 присоединяется к входу согласованной нагрузки 8.1. Включают генератор 6 и гетеродин 5.
Контрольный сигнал генератора 6 через переключатели 7.1 и 7.3 и боковое плечо ненаправленных элементов связи поступает на входы контрольных устройств, в боковые 208 и основные 207 плечи НО со слабой связью во все радиоканалы пеленгационного устройства, начиная с N-го, и далее контрольный сигнал преобразуется, как и на первом этапе калибровки. Выключают генератор 6.
Рассмотрим подробно процесс калибровочных поправок для двух каналов. Примем первый канал за опорный.
На первом этапе калибровки получим разность фаз:
21
2
12
1
Δ=(Ф+Ф)-Ф,
1
где Ф - фаза СВЧ сигнала в опорном канале, при прохождении от точки ввода до БУ 9.
2
Ф - фаза во втором канале, при прохождении от точки ввода во второй канал до БУ 9.
12
Ф - фаза СВЧ сигнала при прохождении в калибровочном канале от первого радиоканала до второго.
На втором этапе калибровки получим разность фаз:
21
2
12
1
Δ=Ф-(Ф+Ф).
Таким образом, фазовая поправка к рабочему режиму для двух каналов определяется программным путем:
21
21
21
ΔФ=(Δ+Δ)/2.
12
При этом величина Ф не входит в конечную формулу.
Рабочий режим пеленгационного устройства (1-ый вариант)
В рабочем режиме пеленгатора выключают генератор 6. Состояние переключателей 7.1, 7.2 и 7.3 в произвольном положении. Сигналы через антенны поступают во все радиоканалы и проходят свои пути до БУ 9.
После оцифровки, определяются разности фаз относительно k-го опорного канала.
Благодаря НО со слабой связью (элементы 207, 208 контрольного устройства 10-i) при входе сигнала со стороны антенны в калибровочный канал попадает мощность менее минус 30 дБ от мощности, поступившей в радиоканал, которой можно пренебречь.
Значения разностей фаз ΔФik калибровочных сигналов пропорциональны разности электрических длин радиоканалов, начиная от точки ввода калибровочного сигнала в радиоканал. Эти разности фаз вычитаются из разностей фаз, полученных в режиме пеленгации.
Второй вариант исполнения изобретения (фиг.5)
Технический результат по этому варианту изобретения достигается благодаря тому, что пеленгационное устройство содержит: N приемных радиоканалов, состоящих из N приемных антенн 1-1, 1-2, 1-3, … 1-N, N контрольных узлов 10-1, 10-2, …, 10-N, N малошумящих усилителей 11-1, 11-2, …, 11-N, N смесителей 3-1, 3-2, 3-3, …, 3-N и N усилителей промежуточной частоты (УПЧ) 4-1, 4-2, 4-3, …, 4-N.
Кроме того, пеленгационное устройство содержит контрольный канал, который состоит из двух идентичных контрольных генераторов 6.1 и 6.2, двух идентичных переключателей первый 7.2 и второй 7.3 на два положения, двух согласованных нагрузок 8.1, 8.2 и N ненаправленных элементов связи (НЭС) 2-1, … 2-N. Пеленгационное устройство также содержит: гетеродин 5 и блок управления 9.
Соединение элементов схемы пеленгационного устройства по второму варианту исполнения изобретения (фиг.5)
В каждом i-ом радиоканале пеленгационного устройства антенна 1-i, контрольный узел 10-i, МШУ 11-i, смеситель 3-i и УПЧ 4-i. соединенны последовательно. Выход УПЧ 4-i соединен с входом 4-i сигнала промежуточной частоты блока управления (БУ) 9. Выход гетеродина 5 соединен со всеми гетеродинными входами N смесителей.
В контрольном канале все N ненаправленных элементов связи (НЭС) 2-i соединены входами-выходами и выходами-входами последовательно. Выходы контрольных сигналов НЭС соединены с входами контрольных сигналов соответствующих контрольных узлов.
Выход контрольного сигнала контрольного генератора 6.1 соединен с входом контрольного сигнала переключателя 7.2, выход-вход которого соединен с входом-выходом первого ненаправленного элемента связи 2-1. Согласованная нагрузка 8.1 соединена с выходом контрольного сигнала переключателя 7.2.
Выход контрольного генератора 6.2 соединен с входом контрольного сигнала второго переключателя 7.3., Вход-выход последнего N-го элемента НЭС соединен с выходом-входом переключателя 7.3, выход контрольного сигнала которого соединен с входом согласованной нагрузки 8.2.
Выходы согласованных нагрузок 8.1 и 8.2 соединены с общим проводником «землей».
Входы управляющих сигналов гетеродина 5, генераторов 6.1, 6.2 и переключателей 7.2 и 7.3 соединены с соответствующими выходами БУ 9.
Калибровка и работа пеленгационного устройства второго варианта исполнения изобретения (фиг.5)
Калибровка радиоканалов пеленгационного устройства производится в два этапа при отсутствии пеленгационных радиосигналов.
Первый этап калибровки (2-ой вариант)
С помощью команд БУ 9 диоды переключателей 7.2 и 7.3. переводятся в положение (фиг.16а), когда вход 305 соединен с выходом 306. При этом выход генератора 6.1 подключается через переключатель 7.2 к входу-выходу НЭС 2-1 контрольного канала, а вход-выход НЭС 2-N присоединяется к входу согласованной нагрузки 8.2.
Включают генератор 6.1 и гетеродин 5.
Контрольный сигнал генератора 6.1 через переключатель 7.2 и ненаправленные элементы связи (НЭС) поступает на входы контрольных устройств, боковые 208 и основные 207 плечи НО со слабой связью и во все радиоканалы пеленгационного устройства, начиная с первого. Далее контрольный сигнал в радиоканале усиливается усилителем МШУ 11-i, преобразуется смесителем 3-i в сигнал промежуточной частоты (ПЧ), усиливается в УПЧ 4-i и поступает в блок управления БУ 9. В БУ 9 в узле 101 сигналы проходят оцифровку, в узле 102 с помощью программы 102а определяются значения амплитуд и разности фаз и сигналов радиоканалов относительно опорного радиоканала, соответствующие первому этапу. Эти значения сохраняются в ОЗУ узла 102.
Второй этап калибровки (2-ой вариант)
С помощью команд БУ 9 диоды переключателей 7.2 и 7.3. переводятся в положение, когда вход 305 соединен с выходом 307. При этом выход генераторов 6.2 подключается через переключатель 7.3 к входу-выходу НЭС 2-N, а вход-выход НЭС 2-1 присоединяется к входу согласованной нагрузки 8.1.
Включают генератор 6.2.
Контрольный сигнал генератора 6.2 через переключатель 7.3 и боковое плечо ненаправленных элементов связи поступает на входы контрольных устройств, в боковые 208 и основные 207 плечи НО со слабой связью во все радиоканалы пеленгационного устройства, начиная с N-го, и далее контрольный сигнал преобразуется, как и на первом этапе калибровки. После выполнения второго этапа калибровки вычисляются калибровочные поправки к разностям фаз сигналов рабочего режима. Матрица этих поправок сохраняется в ОЗУ. Выключают генератор 6.2.
Рабочий режим пеленгационного устройства (2-ой вариант)
В рабочем режиме пеленгатора выключаются генераторы 6.1 и 6.2. Состояние переключателей 7.2.и 7.3 произвольное. Пеленгуемые сигналы через антенны поступают в радиоканалы и проходят каждый свои пути до БУ 9. После оцифровки определяются разности фаз этих сигналов относительно к-го опорного канала. Благодаря, НО со слабой связью контрольного устройства 10-i при входе принятого сигнала со стороны антенны в калибровочный канал, через развязанное плечо НО попадает мощность менее минус 30 дБ по сравнению с мощностью, поступившей в радиоканал, влиянием этой мощности пренебрегаем.
С помощью программы 102б по результатам двух этапов калибровки определяются калибровочные значения разностей фаз для радиоканалов. Эти разности фаз алгебраически вычитаются из разностей фаз, полученных в режиме пеленгации.
Третий вариант исполнения изобретения (фиг.6)
Технический результат по этому варианту изобретения достигается благодаря тому, что пеленгационное устройство содержит: блок управления 9, гетеродин 5, N приемных радиоканалов, состоящих из N приемных антенн 1.1, … 1.-N, N ненаправленных элементов связи 2-1, … 2-N, которые имеют с одной стороны вход-выход и выход-вход с другой стороны основной линии и выход боковой линии, N смесителей 3-1, … 3-N, N усилителей промежуточной частоты 4-1, … 4-N, причем выход каждого смесителя соединен с входом соответствующего усилителя промежуточной частоты, выходы которых соединены с соответствующими входами блока управления 9, контрольный радиоканал канал, состоящий из контрольного генератора 6, двух трехканальных переключателей 13.1 и 13.2 и первой 8.1, второй 8.2, третьей 8.3 и четвертой 8.4 согласованных нагрузок.
Кроме того, пеленгационное устройство содержит: делитель мощности 12, N контрольных узлов 10-1, … 10-N, каждый с входом и выходом радиосигнала и входом контрольного сигнала, N малошумящих усилителей 11-1, … 11-N.
Переключатели имеют входы сигналов управления и входы контрольных сигналов, выходы-входы контрольных сигналов и по два выхода контрольных сигналов.
Выходы контрольных сигналов первого переключателя 13.1 соединены с соответственно с входами первой 8.1 и второй 8.2 согласованных нагрузок, а выходы контрольных сигналов второго переключателя 13.2 соединены с соответствующими входами третьей 8.3 и четвертой 8.4 согласованных нагрузок.
Блок управления 9 имеет выходы управляющих сигналов гетеродином, контрольным генератором и двумя переключателями.
Ненаправленные элементы связи имеют по одному выходу боковой линии.
В радиоканалах антенны, контрольные узлы и малошумящие усилители соединены последовательно, выходы малошумящих усилителей соединены с сигнальными входами соответствующих смесителей, выходы управляющих сигналов блока управления соединены с соответствующими входами контрольного генератора, гетеродина и входами переключателей.
Вход делителя мощности соединен с выходом контрольного генератора, его первый выход контрольных сигналов соединен с входом контрольных сигналов первого переключателя, а второй выход контрольных сигналов соединен с входом контрольных сигналов второго переключателя
Первый переключатель соединен выходом-входом контрольного сигнала с входом-выходом первого ненаправленного элемента связи, а второй переключатель соединен выходом-входом контрольного сигнала с входом-выходом N-го - последнего ненаправленного элемента связи.
Соединение элементов схемы пеленгационного устройства по третьему варианту исполнения изобретения (фиг.6)
В каждом i-ом радиоканале пеленгационного устройства антенна 1-i, контрольный узел 10-i, МШУ 11-i, смеситель 3-i и УПЧ 4-i. соединенны последовательно. Выход УПЧ 4-i соединен с входом 4-i сигнала промежуточной частоты блока управления (БУ) 9. Выход гетеродина 5 соединен со всеми гетеродинными входами N смесителей.
В контрольном канале все N ненаправленных элементов связи (НЭС) 2-i соединены входами-выходами и выходами-входами последовательно. Выходы контрольных сигналов НЭС соединены с входами контрольных сигналов соответствующих контрольных узлов.
Вход контрольного сигнала (точка 406) каждого переключателя соединен с точкой 408, выход контрольного сигнала (точка 407) каждого переключателя соединен с точкой 409. Согласованные нагрузки, выполнены без заземления, присоединены к точкам 410, 411 в каждом переключателе.
Выход гетеродина 5 соединен со всеми гетеродинными входами N смесителей.
Выход контрольного генератора 6 соединен с входом делителя мощности 12, выходы которого соединены соответственно с входами контрольного сигнала переключателей 13.1 и 13.2 (точка 406).
Выход (407) контрольного сигнала переключателя 13.1 соединен с последовательно соединенными входами-выходами N ненаправленных элементов связи. Вход-выход последнего N-го элемента НЭС соединен с выходом 407 переключателя 13.2.
Вход контрольного сигнала (точка 406) каждого переключателя соединен с точкой 408, выход контрольного сигнала (точка 407) каждого переключателя соединен с точкой 409. Согласованные нагрузки, выполненные без заземления, присоединены к точкам 410, 411 в каждом переключателе.
В первом состоянии каждого переключателя на управляющий вход переключателя 401.1, подается «минус» (отрицательное напряжение), а на управляющий вход 401.2 подается «плюс» (положительное напряжение). При этом происходят замыкание точек 408 и 409 и соединение входа 406 и выхода 407.
Во втором состоянии каждого переключателя на управляющий вход переключателя 401.1 подается «плюс» (положительное напряжение), а на управляющий вход 401.2 подается «минус» (отрицательное напряжение) происходит замыкание точек 408 и 410, а также точек 409 и 411. При этом происходит соединение входа 406 с согласованной нагрузкой 8.1 для переключателя 13.1 и с согласованной нагрузкой 8.3 для переключателя 13.2, а выход 407 при этом соединяется с согласованной нагрузкой 8.2 для переключателя 13.1 и с согласованной нагрузкой 8.4 для переключателя 13.2.
Входы управляющих сигналов гетеродина 5, генераторов 6 и переключателей 13.1 и 13.2 соединены, с соответствующими выходами БУ 9.
Калибровка и работа пеленгационного устройства третьего варианта исполнения изобретения (фиг.6)
Калибровка радиоканалов пеленгационного устройства производится в два этапа при отсутствии пеленгационных радиосигналов.
Первый этап калибровки (3-ий вариант)
С помощью команд с БУ 9 переключатель 13.1 переводится в положение 1, а переключатель 13.2 в положение 2. (фиг.16б). Включают генератор 6 и гетеродин 5.
Контрольный сигнал генератора 6 через правое плечо делителя мощности 12, вход и выход переключателя 13.1 и НЭС поступает на входы контрольных устройств, а через боковые 208 и основные 207 плечи НО со слабой связью поступает во все радиоканалы пеленгационного устройства, начиная с первого. Контрольный сигнал от генератора 6, идущий через левое плечо делителя мощности нагружается через переключатель 13.2, включенный в положение 2 на согласованную нагрузку 8.4, а вход-выход НЭС 2-N, на который попадает контрольный сигнал после распределения по всем радиоканалам, также через переключатель 13.2 нагружается на согласованную нагрузку 8.3. Далее контрольный сигнал в радиоканале усиливается усилителем МШУ 11-i, преобразуется смесителем 3-i в сигнал промежуточной частоты (ПЧ), усиливается в УПЧ 4-i и поступает в блок управления БУ 9. В БУ 9 в узле 101 сигналы проходят оцифровку, в узле 102 с помощью программы 102а определяются значения амплитуд и разности фаз и сигналов радиоканалов относительно опорного радиоканала, соответствующие первому этапу. Эти значения сохраняются в ОЗУ узла 102.
Второй этап калибровки (3-ий вариант)
С помощью команд БУ 9 переключатель 13.1 переводится в положение 2, а переключатель 13.2 в положение 1. Включают генератор 6 и гетеродин 5.
Контрольный сигнал генератора 6 через левое плечо делителя мощности 12 поступает на вход 406 переключателя 13.2 и через выход 407 на вход-выход ненаправленных элементов связи, откуда поступает на входы контрольных устройств, а через боковые 208 и основные 207 плечи НО со слабой связью во все радиоканалы пеленгационного устройства, начиная с N-го. Сигнал генератора 6, идущий через правое плечо делителя мощности нагружается на согласованную нагрузку 8.2, а вход-выход НЭС 2-1, на который попадает контрольный сигнал после распределения по всем радиоканалам, также через переключатель 13.1 нагружается на согласованную нагрузку 8.1. Далее контрольный сигнал преобразуется, как и на первом этапе калибровки. После выполнения этого этапа определяются калибровочные поправки к разностям фаз рабочего режима. Генератор 6 не выключается, а переключатели 13.1 и 13.2 включаются в положение 2. При этом контрольный генератор 6 нагружается через делитель мощности на согласованные нагрузки 8.1 и 8.3 и отсоединяется от контрольного канала, вход и выход которого нагружаются на согласованные нагрузки 8.2 и 8.4 соответственно.
Рабочий режим пеленгационного устройства (3-ий вариант)
В рабочем режиме пеленгатора, переключатели 13.1 и 13.2 включены в положение 2 - калибровочные значения разностей фаз для радиоканалов алгебраически вычитаются из разностей фаз, полученных в режиме пеленгации.
Доказательство достижения объявленного технического результата Технический результат изобретения - уменьшение погрешностей пеленгования (повышение точности) достигается:
- заменой всенаправленной связи калибровочного канала с радиоканалами направленной слабой связью в контрольном узле (фиг.10, 11);
- исключением кабелей между вводом в радиоканал калибровочного сигнала и антеннами радиоканала, за счет конструкции контрольного узла и без кабельного соединения элемента ненаправленной связи с контрольным узлом разъемами. Кабели пеленгационного устройства находятся только в калибровочном канале и соединяют элементы НЭС (2-1 -2-N).
Технический результат изобретения - расширение рабочего диапазона в сторону высоких частот достигается за счет конструкции контрольного узла.
Конструкция направленного ответвителя со слабой связью на ППЛ, согласованная нагрузка (12, 13) и соединения элементов на ППЛ с симметрирующим устройством на МПЛ (фиг.15) обеспечивают работоспособность этих элементов до 18 ГГц. Бескабельное соединение антенны с контрольным узлом обеспечивает увеличение точности пеленгования в 7 раз (Таблица, фиг.17).
Рассмотрим вопрос о повышении точности пеленгования изобретения по сравнению с прототипом. Калибровка радиоканала в прототипе не включает отрезок линии от точки ввода калибровочного сигнала до антенны. Этот отрезок линии представляет собой кабель заданной длины. Если этот отрезок выполнить с помощью волновода, что можно сделать более точно, то получим узкополосное устройство и не получим требуемой точности, которую имеет предлагаемое устройство, т.к. столбец «ошибка калибровки» (фиг.2.17) при любом дополнительном отрезке не будет нулевым.
Максимальная погрешность изготовления кабелей одинаковой геометрической длины составляет 0,5 мм. КСТи отражения от антенны составляет не менее 2.0. В этом случае к калибровочному сигналу, в следствие всенаправленности элементов связи, добавляется сигнал, отраженный от антенны с амплитудой 0,33exp(j*Ф) от амплитуды основного сигнала, где Ф набег фазы при прохождении сигналом кабеля в прямом и обратном направлениях, который пропорционален его электрической длине, а коэффициент 0,33 учитывает КСТи антенны. Таким образом, математическое выражение для калибровочного сигнала для каждого радиоканала будет иметь вид:
ехр(j*Ψi)*[1+0,33ехр(j*Фi)],
где (j*Ψi) - фазовый множитель, учитывающий набег фазы сигнала в линии от точки ввода калибровочного сигнала в калибровочный канал до i-го радиоканала. В этот множитель не входят набег фазы радиоканалов от точки ввода в радиоканал калибровочного сигнала до антенны. Множитель ехр(j*Ψi) компенсируется при калибровке.
Определим дополнительный набег фазы к калибровочному значению, фазы в каждом канале, который зависит от фазового множителя 0,33ехр(j*Фi) i-го радиоканала:
φi=arctg[0,33sin(Фi)/(1+0,33cos(Фi)].
1
1
1
Значение Ф соответствует двум набегам фазы на длине кабеля. Если геометрическая длина кабеля 5 см, что реально, то Ф, на частотах порядка 2 ГГц может принимать значения до 2 л. Максимальная погрешность разности фаз сигналов опорного и калибруемого канала достигается, когда в опорном канале сигнал имеет фазу Ф=(2n-1)*π, а в калибруемом канале фазу Ф=(2n-1)*π±δ. При этом ф=0.
фi=arctg(0,33*sin((2n-1)*π+δ)/(1+0,33cos(2n-1)*π+δ))~0,5δ.
1
Таким образом, в этом случае Фi порядка 0,5δ. Это максимально возможная калибровочная погрешность по фазе радиоканала, которая имеет место при определенной длине кабеля и определенной длине волны. Такая погрешность соответствует такой длине волны, половина которой укладывается на удвоенной электрической длине кабеля. В нашем примере две длины кабеля составляют 10 см, что соответствует электрической длине 10*1,4=14 см, где 1,4 коэффициент укорочения длины волны в кабеле, λ=28 см, частота F=1,07 ГГц. Будем считать приближенно λ=30 см, F=1.0 ГГц.
1
Таким образом, приближено 10 см соответствует 180°, погрешность в длине 0,5 мм*2 соответственнодает погрешность по фазе δ=1,8°, т.е. максимально возможная калибровочная погрешность по фазе радиоканала на указанной частоте Фi=0,9°.
При пеленге на частоте (приближенно F=1.0 ГГц, λ=30 см) возникает дополнительная погрешность из-за разностей длин неучтенной при калибровке длины соединительной линии с антенной. Погрешность в длине кабеля 0,5 мм дает погрешность (λ=30 см) по фазе 360/(300/1,4)*0,5=0,84°.
1
Эта погрешность будет увеличиваться пропорционально увеличению частоты, а максимальная погрешность калибровки будет изменяться скачкообразно. Она изменит свое значение, когда при выбранной длине кабеля фаза в опорном канале примет значение 3π. Это произойдет на частоте 3 ГГц. При этом δ=5.4°, ΔФi~2,7°.
Таким образом, можно составить следующую таблицу для погрешности пеленгации прототипа (см. данные для прототипа в таблице, фиг.17). Суммарная погрешность не зависит от направления прихода сигналов, а зависит от номера радиоканала и частоты.
Калибровка радиоканала в изобретении, так же как и для прототипа не включает отрезок от точки ввода калибровочного сигнала до антенны. Этот отрезок в изобретении представляет собой отрезок 21 - на плате 206 плюс отрезок 217 на плате 216 фиг.10. Симметрирующее устройство, которое не указано в прототипе относится к антенне, которую мы учитываем в данном расчете только с помощью KCTu.
В изобретении калибровочная мощность, поступающая на антенну на 10 дБ меньше мощности поступающей при калибровке в радиоканал при KCTu=2. Добавка из-за отражения этого сигнала уменьшится суммарно на 25 дБ, поэтому влиянием отраженного от антенны сигнала на фазу сигнала радиоканала при калибровке можно пренебречь.
Погрешность в длине отрезков плат 210 и 217 при изготовлении по СВЧ технологии также пренебрежимо мала. Основанная погрешность связана с точностью изготовления корпуса, она не более 0.1 мм. В режиме пеленгации это может привести к погрешности по фазе при длине волны 30 см и частоте 1 ГГц: Δθ°=360°×0.1/(300/2)=0.240°. В последней формуле коэффициент замедления 1.4 для кабеля заменен на коэффициент замедления 2 для СВЧ схемы.
Для других частот значение фазовой погрешности пеленгации приведены в таблице фиг.17.
Погрешность пеленгования трех вариантов изобретения одинаковая. Различия экономические незначительные за счет использования одного или двух контрольных генераторов и трех или двух переключателей. В третьем варианте контрольный генератор отключать не надо, он всегда готов к работе.
Из сравнения данных последнего столбца таблицы (фиг.17) на одинаковых частотах для изобретения и прототипа изобретения следует, что погрешность пеленгации устройства по изобретению в 7 раз меньше погрешности пеленгации устройства-прототипа.
Осуществление пеленгационного устройства
Пеленгационное устройство по первому варианту исполнения изобретения. Оно состоит из N-1(N=5) приемных радиоканалов и содержит контрольный канал. Радиоканалы и контрольный канал соединены в общую схему пеленгационного устройства по первому варианту (фиг.4).
Антенны выполнены спиральными. Спиральные антенны собраны в линейную решетку. Каждый i-ый радиоканал состоит из последовательно соединенных: антенны 1-i, контрольного узла 10-i, МШУ 11-i, смесителя 3-i и УПЧ 4-i. Выход УПЧ 4-i соединен с входом 4-i сигнала промежуточной частоты блока управления БУ 9.
Перестраиваемые генераторы 5 и 6 выполнены на транзисторах по схеме СВЧ автогенератора. На частотах 1-2 ГГц используется схема с общей базой на транзисторе с варакторным диодом для перестройки частоты. На более высоких частотах схема генератора дополняется умножителем частоты и соответствующими фильтрами.
Переключатели 7.1, 7.2 и 7.3 выполнены по схеме фиг.16а.
Малошумящие усилителя МШУ 11-i выполнены на полевых транзисторах с затворами на барьере Шотки, которые хорошо сопрягаются с микрополосковыми линиями передачи.
Смесители 3-i выполнены на диодах по известной двойной балансной СВЧ схеме, которая позволяет осуществить фазовое подавление приема по зеркальному каналу.
Усилители промежуточной частоты УПЧ 4-i выполнены на транзисторах по известной схеме УПЧ.
БУ 9 в первом варианте исполнения изобретения имеет 5 входов ПЧ и 5 выходов управляющих сигналов: контрольного генератора 6, гетеродина 5 и трех переключателей 7.1, 7.2 и 7.3.
Контрольный узел выполнен по схеме фиг.10.
Ненаправленные элементы связи 2-i выполнены в виде резистивного ответвителя на ППЛ (фиг.18) с пленочными резисторами 505 R=300 Ом, с поверхностным сопротив лением 100 Ом/. Элементы ППЛ выполнены на поликоровой подложке с теми же геометрическими параметрами, что и элементы контрольного узла 10-i.
11
Ненаправленный элемент связи имеет три разъема: 501, 502 стандартные гнезда (СРГ-50-751 ФВ ВРО.364.049 ТУ) и 503 штыревой (фиг.19). Внутри разъема имеется два отрезка линий с волновым сопротивлением не равным 50 Ом. Длины коаксиалов с фторопластовым заполнением с волновым сопротивлением не равным 50 Ом рассчитываются из условия компенсации отражений от скачков волнового сопротивления в рабочем диапазоне частот. Были оптимизированы длины этих отрезков и расстояний между скачками, для минимизации величины S в требуемом диапазоне частот. Результаты оптимизации коэффициента отражения представлены на фиг.20. Характеристики НЭС представлены на фиг.21. Обозначения кривых на фиг.21:
- Δ - мощность, отраженная от входа элемента НЕС с резистивным ответвителем;
-  - мощность, ответвленная резистивным элементом НЭС.
Затухание сигнала по основному каналу на 18 ГГц порядка 0,5 дБ.
Вход-выход элемента 2-5 соединяется кабелем с входом переключателя 7.2, следующие входы-выходы элементов НЭС соединены между собой кабелями, последний выход-вход элемента 2-N соединяется кабелем с входом переключателя 7.3. Штыревые разъемы 503 соединяются непосредственно со стандартными разъемами 228 соответствующих контрольных узлов 10-i.
На первом этапе калибровки с помощью БУ 9 включаются генератор 6 и гетеродин 5, переключатели 7.1, 7.2 и 7.3 включаются в положение, когда вход 305 соединен с выходом 306 (фиг.16а). При этом выход генератора 6 соединяется через выход переключателя 7.1 с выходом 306 переключателя 7.2. и через вход 305 переключателя 7.2 соединяется с входом-выходом НЭС 2-1 калибровочного канала, а вход-выход НЭС 2-5, соединяется через вход 305 и выход 306 переключателя 7.3. с входом согласованной нагрузки 8.2.
Контрольный сигнал генератора 6 через переключатели 7.1 и 7.2 и резистивный ответвитель на ППЛ (фиг.18) элемента НЭС поступает на входы контрольных устройств и через НО со слабой связью во все радиоканалы пеленгационного устройства, начиная с первого. Далее контрольный сигнал в радиоканале усиливается МШУ 11-i, преобразуется смесителем 3-i в сигнал промежуточной частоты (ПЧ), усиливается в УПЧ 4-i и поступает в блок управления БУ 9. В БУ 9 в узле 101 сигналы проходят оцифровку, в узле 102 с помощью программы 102а определяются значения амплитуд и разностей фаз сигналов радиоканалов относительно опорного радиоканала, соответствующие первому этапу. В качестве опорного канала выбран третий канал. На этапе калибровки различия в амплитудах калибровочного сигнала в радиоканалах учитывается программным путем. Калибровочные значения разностей фаз радиоканалов сохраняются в ОЗУ узла102. Выключают генератор 6.
На втором этапе калибровки с помощью команд с БУ 9 переключатели 7.1, 7.2 и 7.3 переводятся в положение, когда соединяется вход 305 с выходом 307. При этом выход генератора 6 соединяется через переключатели 7.1 и 7.3 с входом-выходом НЭС 2-5, а вход-выход НЭС 2-1, через переключатель 7.2. присоединяется к входу согласованной нагрузки 8.1. Включают генератор 6 и гетеродин 5.
Контрольный сигнал генератора 6 через переключатели 7.1 и 7.3 и резистивный ответвитель на ППЛ (фиг.18) элемента НЭС поступает на входы контрольных устройств, и через НО со слабой связью во все радиоканалы пеленгационного устройства, начиная с 5-го, далее контрольный сигнал преобразуется, как и на первом этапе калибровки. Выключают генератор 6.
После выполнения первого и второго этапов калибровки калибровочные поправки к разностям фаз рабочего режима вычисляются программным путем.
Оценим ошибку поправок к разностям фаз рабочего режима, связанную с вводом калибровочного сигнала в каждый радиоканал. Эта ошибка определяется погрешностью в длинах волн от выхода резистивного ответвителя на ППЛ (фиг.18) элемента НЭС до входа НО со слабой связью контрольного узла. Напомним, что длины между резистивными ответвителями не вносят вклада в калибровочное значения фаз радиоканалов.
Поскольку погрешностью в изготовлении плат по сравнению с погрешностью механического изготовления корпуса можно пренебречь, то фазовая ошибка калибровки определяется погрешностью в изготовлении двух стенок корпусов. Эта толщина составляет менее 10 мм, а механическая погрешность изготовления составляет 0.1 мм. Таким образом, может внести дополнительные поправки в таблицу фиг.17. Таблица поправок для примера реализации представлена на фиг.22. В разделе таблицы «Для изобретения с резистивными ответвителями НЭС» добавили третий столбец и учли добавку в столбце «Суммарная». Суммарная погрешность получилась в 3,4 раза меньше, чем погрешность пеленгации в прототипе.
Таким образом, объявленный технический результат изобретения достигнут.
Отличительные признаки изобретения Отличительные признаки первого варианта.
N контрольных узлов 10-1, 10-2, …, 10-N каждый с входом и выходом радиосигнала и входом контрольного сигнала, N малошумящих усилителей 11-1, 11-2, …, 11- N, третий двухканальный переключатель с входом управляющих сигналов и входом контрольных сигналов и двумя выходами контрольных сигналов.
Блок управления 9 имеет выходы управляющих сигналов гетеродином, контрольным генератором и тремя переключателями.
Ненаправленные элементы связи 2-1, … 2-N имеют по одному выходу боковой линии.
В радиоканалах антенны, контрольные узлы и малошумящие усилители соединены последовательно, выходы малошумящих усилителей соединены с сигнальными входами соответствующих смесителей, выходы управляющих сигналов блока управления 9 соединены с соответствующими входами контрольного генератора, гетеродина и входами трех переключателей 7.1,7.2 и 7.3.
Третий переключатель 7.1 входом контрольных сигналов соединен с выходом контрольного генератора 6, первый выход контрольного сигнала третьего переключателя 7.1 соединен с входом контрольного сигнала второго переключателя 7.3.
Выход контрольного сигнала третьего переключателя 7.1 соединен с входом контрольного сигнала первого переключателя 7.2, выход-вход контрольного сигнала которого соединен с входом-выходом первого элемента связи 2.1, выход контрольного сигнала первого переключателя 7.2 соединен с входом первой согласованной нагрузки 8.1.
Второй переключатель 7.3 соединен выходом-входом контрольного сигнала с входом-выходом N-го - последнего ненаправленного элемента связи, выход контрольного сигнала второго переключателя соединен с входом второй согласованной нагрузки 8.2, при этом выходы согласованных нагрузок 8.1 и 8.2 соединены с общим проводником «землей».
Отличительные признаки второго варианта.
N контрольных узлов 10-1, 10-2, …, 10-N каждый с входом и выходом радиосигнала и входом контрольного сигнала, N малошумящих усилителей 11-1, 11-2, …, 11-N.
Блок управления 9 имеет выходы управляющих сигналов гетеродином, контрольными генераторами и двумя переключателями.
Ненаправленные элементы связи 2-1, … 2-N имеют по одному выходу боковой линии.
В радиоканалах антенны, контрольные узлы и малошумящие усилители соединены последовательно, выходы малошумящих усилителей соединены с входами соответствующих смесителей, выходы управляющих сигналов блока управления 9 соединены с соответствующими входами контрольного генератора, гетеродина и входами двух двухканальных переключателей 7.2 и 7.3, при этом выходы согласованных нагрузок 8.1 и 8.2 соединены с общим проводником «землей».
Отличительные признаки третьего варианта.
Введены делитель мощности 12, третья 8.3 и четвертая 8.4 согласованные нагрузки, N контрольных узлов, каждый с входом и выходом радиосигнала и входом контрольного сигнала, N малошумящих усилителей.
Переключатели 13.1 и 13.2 выполнены на три канала и имеют входы сигналов управления и входы контрольных сигналов, выходы-входы контрольных сигналов и по два выхода контрольных сигналов.
Выходы контрольных сигналов первого переключателя 13.1 соединены соответственно с входами первой 8.1 и второй 8.2 согласованных нагрузок, а выходы контрольных сигналов второго переключателя 13.2 соединены с входами третьей 8.3 и четвертой 8.4 согласованных нагрузок.
Блок управления 9 имеет выходы управляющих сигналов гетеродином, контрольным генератором и двумя переключателями.
Ненаправленные элементы связи имеют по одному выходу боковой линии.
В радиоканалах антенны, контрольные узлы и малошумящие усилители соединены последовательно, выходы малошумящих усилителей соединены с сигнальными входами соответствующих смесителей, выходы управляющих сигналов блока управления соединены с соответствующими входами контрольного генератора, гетеродина и входами переключателей
Вход делителя мощности 12 соединен с выходом контрольного генератора 6, его первый выход контрольных сигналов соединен с входом контрольных сигналов первого переключателя 13.1, а второй выход контрольных сигналов соединен с входом контрольных сигналов второго переключателя 13.2.
Первый переключатель 13.1 соединен выходом-входом контрольного сигнала с входом-выходом первого ненаправленного элемента связи 2-1, а второй переключатель 13.2 соединен выходом-входом контрольного сигнала с входом-выходом 2-N - последнего ненаправленного элемента связи.
Отличительные признаки трех вариантов изобретения
Контрольный узел содержит направленный ответвитель, согласованную нагрузку, симметрирующее устройство и двухпроводную линию.
Двухпроводная линия, симметрирующее устройство и основное плечо направленного ответвителя соединены последовательно.
Согласованная нагрузка соединена с выходом бокового плеча направленного ответвителя.
Вход двухпроводной линии является входом радиоканала контрольного узла, а выход основного плеча направленного ответвителя является выходом радиоканала контрольного узла, а также выходом контрольного сигнала.
Вход бокового плеча направленного ответвителя является входом контрольного сигнала контрольного узла.