CC BY
196
А.В. Леньшин,
доктор технических наук, Военный авиационный инженерный университет
В.А. Мыльников,
научно-исследовательский испытательный центр радиоэлектронной борьбы ВАИУ
Е.Н. Сажин,
научно-исследоват ел ьский испытательный центр радиоэлектронной борьбы ВАИУ
ОБЪЕМНЫЕ АНТЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ШИРОКОПОЛОСНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТКАХ БОРТОВЫХ РАДИОПЕЛЕНГАТОРОВ
VOLUME ANTENNA ELEMENTS IN WIDE-BAND CIRCULAR ARRAY OF ONBOARD RADIO DIRECTION FINDERS
Получены значения систематических ошибок бортовых радиопеленгаторов с кольцевыми антенными решетками, состоящими из объемных цилиндрических и конических антенных элементов.
Values of regular errors of onboard radio direction finders with the circular array consisting of volumetric cylindrical and conic dipole antennas are received.
В настоящее время в радиопеленгаторах находят широкое применение малобазовые трехэлементные эквидистантные кольцевые антенные решетки (КАР), позволяющие осуществлять однозначное пеленгование в круговом азимутальном секторе в широком диапазоне частот с коэффициентом перекрытия до 4 раз [1—6]. Систематические ошибки радиопеленгаторов с такими КАР, выполненными из тонких цилиндрических вибраторных антенных элементов (АЭ), не превышают 0,9 градуса при максимальном для однозначного пеленгования в круговом азимутальном секторе расстоянии между АЭ КАР, равном двум третям длины волны. Это достигается применением способа радиопеленгования, основанного на учете свойств симметрии эквидистантной КАР и априорных данных о формах и свойствах диаграмм направленности (ДН) ее АЭ в условиях их электродинамического взаимодействия, путем формирования пеленга-ционных характеристик с совместным использованием амплитудных диаграмм направленности АЭ, однозначных относительных фазовых ДН пар АЭ и однозначных амплитудных и фазовых разностных ДН пар АЭ КАР [6—9].
Вместе с тем ввиду широкого диапазона рабочих частот в пеленгаторных КАР желательно применение низкодобротных широкополосных объемных вибраторных антенн.
Цель работы — исследование систематических ошибок бортовых радиопеленгаторов с широкополосными КАР из объемных вибраторных АЭ.
Для случая воздействия на трехэлементную эквидистантную КАР, состоящую из трех одинаковых АЭ вертикальной поляризации А1, А2 и А3, плоской электромагнитной волны, приходящей с азимутального направления j (рис. 1), проводилась оценка систематических ошибок на основе математического моделирования разностных ДН АЭ КАР, полученных с учетом электродинамического взаимодействия между АЭ для различных вариантов объемных конструкций АЭ. Учет электродинамического взаимодействия между АЭ при моделировании КАР осуществлялся с использованием программного пакета моделирования антенн MMANA.
Фазовые центры АЭ КАР расположены в плоскости пеленгования (азимутальной плоскости) по окружности радиуса г с межцентровым расстоянием d = г43 на азимутальных направлениях, равных (рп = 2к(п -1)/3, где п = 1, 2, 3 .
Рис. 1. Структура трехэлементной эквидистантной КАР в плоскости пеленгования
в полярной системе координат
Согласно [5] первичные комплексные диаграммы направленности невзаимодействующих АЭ КАР с учетом задержки распространения фронта электромагнитной волны относительно центра КАР рассчитывались без учета шумов с помощью выражения
Ъп = НЕ exp и
2Р
х43
^(ф-фп)
(1)
где к — действующая высота АЭ; Е — напряженность поля ЭМВ в центре КАР;
I = 4-1; 1 — длина волны.
Вторичные комплексные разностные ДН, получаемые из первичных ДН, рассчитываются по формуле [5]
7 п = 2НЕ 8ІП
ґтії
— ьюір-фп) і
ехр
2
2Р
я43
СОЬ(ф-фп )
(2)
и в предположении «нулевого» значения фазы поля волны в центре КАР вычислялись приведенные к фазовому центру КАР амплитудные разностные диаграммы направленности по формуле
Кп = \кп\^ (1т(7п)).
(3)
где 8§д (1т( Кп)) — знаковая функция мнимой составляющей п-й разностной диаграммы направленности.
Рассчитанные с помощью (3) амплитудные разностные диаграммы направленности использовались для приближенного (с ошибками «разноса» [5]) получения пар диаграмм направленности: синусной и косинусной Бс, а также — для вычисления
систематических ошибок пеленгования в соответствии с соотношениями [5, 10]
= 27! - 72 - 73;
(4)
Вс =7э(Яз - л2); (5)
Б,
Аф- = агс^—-ф-, (6)
где фу — истинные значения азимутов источника радиоизлучения, размещаемого в
круговом азимутальном секторе (0^360)° с угловым шагом 5°; у = 0, 1,..., 71.
Далее с использованием полученных по формуле (6) значений А фу для каждой
из исследуемых частот вычислялась усредненная в круговом азимутальном секторе среднеквадратичная ошибка ф пеленгования по формуле
ф = , 1^ Д(Аф )2- (7)
Полученные предельно достижимые ошибки пеленгования без учета электродинамического взаимодействия АЭ использовались для обоснования исходных данных в части параметров режимов сегментации, задаваемых в программный пакет моделирования антенн ММЛКЛ, с помощью которого рассчитывались разностные диаграммы направленности в условиях электродинамического взаимодействия АЭ КАР.
В результате были выбраны такие параметры режимов сегментации программы ММЛКЛ (Seg; ДМ1; ДМ2, равных —1; 1600 и 80), которые позволяют в частном случае невзаимодействующих АЭ достичь практического совпадения результатов расчетов ДН по формуле (2) и с помощью программы ММЛКЛ (рис. 2), а также совпадения результатов расчета азимутальных зависимостей систематических ошибок пеленгования (рис. 3).
Значения знаковой функции («+» или «-»), используемые в расчетах амплитудных разностных ДН по формуле (3) и с помощью программы ММЛКЛ, приведены внутри «лепестков» ДН (рис. 2).
Рис. 2. Модули трех амплитудных разностных ДН при ^/Я=0,66 без учета (сплошная линия) и с учетом (пунктирная линия) взаимного влияния АЭ КАР
град.
срр град.
Рис. 3. Азимутальные зависимости систематических ошибок пеленгования при а/Я=0,66 без и с учетом взаимного влияния АЭ пеленгаторной кольцевой решетки: соответственно сплошная и пунктирная линии
При таком режиме возбуждения в условиях электродинамического взаимодействия между АЭ с помощью программы ММЛКЛ вычислялись модули амплитудных разностных ДН КАР для различных структур объемных проволочных АЭ (рис. 4): сплошных вертикальных цилиндрических вибраторов длиной 1,5 м и диаметром 10 мм, объемных проволочных цилиндрических вибраторов длиной 1,5 м и диаметром 120 мм, конических вибраторов длиной образующей конуса 1 м и 1,5 м и с углом при вершине 30° и 60°.
Рис. 4. Структуры объемных проволочных АЭ КАР Результаты расчета систематических ошибок о^ бортовых радиопеленгаторов с
трехэлементными эквидистантными КАР из объемных АЭ приведены в таблице и в виде графических зависимостей представлены на рис. 5.
а /1 о(p, град.
Без учета взаимного влияния (точечные ан -тенны) с учетом взаимного влияния АЭ
цилиндр 0 = 10 мм , 1с = 1,5 м цилиндр 0 = 120 мм, 1 ц = 1,5 м конус 7 = 30°, 1к = 1,5 м конус 7= 30°, 1 к = 1 м конус 7= 60°, 1 к = 1 м
0,15 0,001 0,001 0,005 0,023 0,004 0,025
0,225 0,006 0,006 0,019 0,110 0,032 0,099
0,3 0,018 0,018 0,042 0,239 0,085 0,233
0,375 0,046 0,046 0,07 0,321 0,14 0,402
0,45 0,102 0,103 0,166 0,327 0,179 0,451
0,525 0,203 0,204 0,218 0,358 0,259 0,655
0,6 0,383 0,381 0,403 0,492 0,459 0,492
¿V т1>а'Ч
Конус: у Конус: у-60°, /к = 30°, /к =1,5 м = 1 м х /* х / ^
Цилиндр :Сонус: у ■ 30°, /к -0 = 120 мм, /ц =1 1 м . 5 м ^ у
Цилиндр ;ц=1,5ь : 0 = 10 ,\ [ [М, * * 3 / / * * \ / /, ■’ ' У / < / г. * / * . / / » с /, * ’ *
с О аз чечная ттстгтта
0,15 0,225 0,3 0,375 0,45 0,525 ¿//Я
Рис. 5. Систематические ошибки пеленгования при различных вариантах конструктивного выполнения АЭ пеленгаторной КАР
Сопоставительный анализ систематических ошибок радиопеленгатора с различными вариантами конструктивного выполнения АЭ КАР, приведенных в таблице и на рис. 5, показывает следующее:
1. В случае выполнения АЭ в виде тонких сплошных цилиндрических вибраторов, электрические размеры которых удовлетворяют применению приближения поверхностного тока «нитевидным», ошибки не зависят от электродинамического взаимодействия АЭ и совпадают с полученными для точечных невзаимодействующих между собой АЭ. В этом случае способ определения пеленга на основе сравнения разнородных ДН позволяет полностью компенсировать электродинамическое взаимодействие АЭ.
2. В случае выполнения АЭ в виде проволочных объемных цилиндрических и конических конструкций полная компенсация электродинамического взаимодействия АЭ с помощью способа пеленгования на основе использования разностных ДН не достигается. Причем ошибки по сравнению со случаем невзаимодействующих АЭ увеличиваются незначительно — для объемных цилиндрических и конических, с углом при вершине конуса 30°, и в большей степени — для конических, с углом при вершине конуса 60° и не превышают соответственно 0,66° и 0,5° . При этом увеличение угла при вершине конусов в большей степени влияет на рост ошибок, чем увеличение длины образующей конуса.
Таким образом, применение объемных АЭ в КАР бортовых радиопеленгаторов незначительно увеличивает систематические ошибки пеленгования по сравнению с КАР из тонких цилиндрических вибраторных АЭ, обеспечивая при этом лучшую широ-кополосность, чувствительность и лучшие габаритные характеристики, что открывает возможности использования таких объемных АЭ в широкополосных КАР малобазовых бортовых радиопеленгаторов, размещаемых на летно-подъемных средствах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кукес И. С., Старик М. Е. Основы радиопеленгации. — М.: Сов. радио, 1964. — 604 с.
2. Проектирование фазовых автоматических радиопеленгаторов / А.С. Саидов,
A.Р. Тагилаев, Н. М. Алиев, Г. К. Асланов. — М.: Радио и связь, 1997. — 108 с.
3. Патент РФ № 2124215. Способ однозначного пеленгования источника радиосигнала / А.Д. Виноградов, 1998.
4. Патент РФ № 2158001. Способ радиопеленгования / А.Д. Виноградов, 2000.
5. Виноградов А. Д., Левашов П. А. Новые предельные ограничения на формы диаграмм направленности малобазовых фазо- и поляризационно-чувствительных радиопеленгаторов // Радиотехника.— 2004. — № 5. — С. 77—82.
6. Способы радиопеленгования с использованием трехэлементных эквидистантных кольцевых антенных решеток (обзор работ) / М. Л. Артемов, А.Д. Виноградов, П. А. Левашов, Ю. И.Маевский // Антенны.— 2008. — № 7—8 (134—135). — С. 60—35.
7. Виноградов А.Д., Михин А.Ю., Подшивалова Г.В. Исследование частотной зависимости предельной чувствительности радиопеленгаторов с малоэлементными кольцевыми антенными решетками // Антенны.— 2007. — № 3 (118). — С. 25—35.
8. Виноградов А.Д., Никонов В.Н. Способы уменьшения методических ошибок малобазовых радиопеленгаторов с трехэлементными эквидистантными кольцевыми антенными решетками // Антенны.— 2007. — № 3 (118). — С. 50—58.
9. Виноградов А.Д. Способы повышения основных показателей качества радиопеленгаторов с трехэлементными эквидистантными кольцевыми антенными решетками // Антенны.— 2007. — № 12 (127). — С. 41—52.
10. Систематические ошибки мобильного радиопеленгатора с малогабаритной рамочно-вибраторной антенной решеткой / А.Д. Виноградов, П.А. Левашов,
B. А. Мыльников, Е.Н. Сажин // Антенны.— 2008. — № 7—8 (134—135). — С. 28—35.
