Разработка и оптимизация архитектуры антенных решеток пассивного пеленга для применения на подвижных носителях
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 Пассивные и пассивно-активные системы и методы локации и радиомониторинга
1.1 Структуры систем пассивно-активной радиолокации и радиомониторинга
1.2 Особенности антенных решеток для реализации фазовых алгоритмов систем радиомониторинга сигналов вертикальной поляризации
1.2.1 Излучатели для КАР с фазовыми методами радиомониторинга сигналов вертикальной поляризации
1.2.2 Методы определения угла места прихода электромагнитной волны
1.3 Особенности антенных решеток для реализации фазовых алгоритмов систем радиомониторинга сигналов горизонтальной поляризации
1.3.1 Излучатели для КАР с фазовыми методами радиомониторинга сигналов горизонтальной поляризации
1.3.2 КАР из излучателей Вивальди, размещенных по кольцу с одинаковым угловым шагом относительно центральной оси
1.4 Имитация работы алгоритма MUSIC по расчетным ДН элементов КАР
1.5 Разработка структур АР для амплитудных методов радиолокации
1.6 Выводы. Постановка задачи исследований в диссертационной работе
Глава 2 Кольцевые антенные решетки с вертикальной поляризацией для реализации фазовых алгоритмов в системах пассивной когерентной локации и радиомониторинга сигналов
2.1 Модель КАР из вертикальных диполей. Неравномерность амплитудной и фазовой ДН в КАР из полуволновых диполей
2.2 Технические решения для КАР с вертикальной поляризацией (комбинированный и многослойный излучатели)
2.3 Исследование точностных характеристик измерения азимута и угла места фазовыми методами в КАР вертикальной поляризации c помощью программы имитации алгоритма MUSIC
2.4 Математическая модель двухрядной кольцевой дипольной решетки при падении плоской волны с произвольным углом прихода.
2.4.1 СЛАУ для кольцевой антенной решетки из вертикальных вибраторов
2.4.2 Математическая модель кольцевой двухъярусной решетки из 4 диполей
2.4.3 Фазовые набеги для двухрядной КАР со смещением элементов в азимутальной
плоскости
3
2.4.4 Фазовые набеги для двухрядной эллиптической КАР со смещением элементов в азимутальной плоскости
2.5 Применение двухрядных КАР
2.5.1 Исследование изменения фаз в случае многоэлементной КАР на элементах при переходе от однорядных решеток к двухрядным
2.5.2 Точностные характеристики одноярусной и двухъярусной КАР при различных значениях h на примере сдвига части элементов решетки по оси z
2.6 Выводы
Глава 3 Кольцевые антенные решетки систем пассивного радиомониторинга с сигналами, имеющими горизонтальную поляризацию
3.1 Модели антенных элементов с синтезированной ДН
3.1.1 Неравномерность ДН элементов КАР из горизонтальных диполей
3.1.2 Математическая модель КАР из горизонтальных диполей
3.1.3 Математическая модель КАР из излучателей Вивальди
3.1.4 Математическая модель КАР из рупорных излучателей
3.2 Технические решения для КАР с горизонтальной поляризацией
3.2.1 Антенный элемент на основе кольцевой решетки из симметрично возбуждаемых диполей (многоэлементный излучатель)
3.2.2 КАР с полным перекрытием в азимутальной плоскости из многоэлементных излучателей
3.2.3 Оценка СКО определения азимута при использовании КАР из многоэлементных дипольных излучателей
3.2.4 Антенный элемент на основе антенн Вивальди
3.2.5 Оценка СКО определения азимута при использовании КАР на основе излучателей Вивальди
3.3 Выводы
Глава 4 Антенные решетки для реализации амплитудных и комбинированных алгоритмов систем радиомониторинга
4.1 Неэквидистантные плоские большие размерные антенные решетки
4.1.1 Синтез АР в MATLAB решением задачи нелинейного программирования
4.1.2 Синтез АР с применением моделей функционального уровня
4.1.3 Синтез АР в пакетах электромагнитного моделирования стандартными алгоритмами
4.1.4 Образцы неэквидистантных антенных решеток
4.2 Технические решения для КАР из направленных элементов с горизонтальной поляризацией
4.3 Вариант многопозиционной системы ПКЛ со слабонаправленными антеннами
4.4 Выводы
Глава 5 Разработка и экспериментальные исследования антенных решеток для систем пассивной радиолокации
5.1 Конструкция КАР на основе многоэлементных излучателей и результаты измерений характеристик излучателя и антенны
5.2 Разработка и исследование цифровой антенной системы ПКЛ «Защита»
5.2.1 Структура излучателей и антенной системы
5.2.2 Частотные характеристики излучателей в составе решетки и амплитудные и фазовые диаграммы направленности
5.2.3 Преселектор излучателей антенных решеток
5.3 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А Искажения амплитудной и фазовой ДН в КАР из электрически малых диполей
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Математическая модель кольцевой двухрядной решетки из 4 диполей в случае использования базиса из трех функций
ПРИЛОЖЕНИЕ В Исследование точностных характеристик измерения азимута фазовыми методами в КАР вертикальной поляризации c помощью программы имитации алгоритма MUSICы
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и поставлены
задачи исследования, дается характеристика работы, представлены выносимые на защиту научные положения, приводится краткое содержание работы по главам.
В первой главе диссертации выполнен анализ предметной области и проведен обзор современных решений для ПАРЛС, КАР, излучателей КАР различной поляризации и описан в общем виде алгоритм имитации работы MUSIC.
На основании проведенного анализа сформулирован вывод о том, что многие вопросы построения антенных решеток для пассивных и активно-пассивных локационных систем, и систем радиомониторинга освещены лишь в общих чертах. Отмечена перспективность разработки новых решений для таких систем. На основе материалов обзора формулируются цели и задачи исследований в диссертационной работе.
Во второй главе рассмотрены вопросы оптимального построения КАР из диполей с вертикальной поляризацией для реализации фазовых алгоритмов пеленгования.
Исследование неравномерностей ДН элементов в составе КАР от 3 до 9 элементов, возникающих вследствие взаимной связи элементов, выполнялось с помощью пакета программ CST Studio для различных расстояний между элементами. Результаты моделирования показали, что искажения амплитудной ДН в случае тонких диполей достигают 5дБ, а фазовой 30°.
Для повышения КУ антенны в составе КАР и ее
рабочей полосы частот в диссертации были предложены
защищенные патентами и многослойные
комбинированные двух и трехслойные антенные
излучатели с удобной реализацией симметрирующей и
согласующих цепей (рисунок 1а). На рисунке 1б,в приведены ДН двухслойной антенны в азимутальной и угломестной плоскостях соответственно. Здесь сплошной линией показана ДН на 0.5 , штрихом на , а точками на 2 , = 2 ГГц. Трехслойный излучатель имеет аналогичные характеристики, но более широкую полосу рабочих частот и более равномерные ДН.
8
D, дБ
5 0 -10
D, дБ 90
5 -9 -23
240
90 120
60
30
0 θ,…°
330
240
150
а
30
60
300
φ, …°
180 бв
Рисунок 1 а) Схематичное изображение комбинированных излучателей; б) ДН двухслойного излучателя в азимутальной, в) угломестной
а
б
Рисунок 2 СКО в горизонтальной плоскости (θ=90o) для а) N=5, б) N=9
Для исследования влияния неравномерностей ДН на работу ПАРЛС была использована описанная в первой главе программа имитации работы алгоритма MUSIC, позволяющая оценивать СКО азимутальных и угломестных пеленгов в антенных решетках с произвольными излучателями. Были получены СКО для углов в секторе =90…130°. На рисунке 2 приведены результаты расчета СКО в плоскости = 90° (горизонтальная плоскость) при =0.85 для пятиэлементных решеток и углов = 0 ± 36° (а) и для =1.46 для девятиэлементных решеток и углов φ = 0 ± 20° , где – отнесенный к длине волны радиус решетки. На графиках показаны результаты для дипольной решетки с идеальными ДН без неравномерностей (пунктир), модели с учетом взаимодействия излучателей (сплошная) и предложенного в работе оригинального двухслойного излучателя (маркер). Это позволило выявить ошибки работы
системы пеленгации из-за неравномерности фазовой ДН элементов.
Для определения не только азимутального направления на цель, но и угла места,
необходимо рассмотреть переход к многоярусным КАР. Для определения оптимальных расстояний между ярусами и числа излучателей в ярусах решетки в диссертации разработана алгоритмически реализуемая математическая модель двухъярусной КАР в случае свободно падающей плоской волны произвольной поляризации (общий вид решетки показан на рисунке 3а). Теорема запаздывающих потенциалов для двухрядной кольцевой решетки имеет вид:
%̅(‘, ,))= 1 *+̅(‘-, -,)-)./01245= 1 *+7(‘-, -,)-)./012845+⋯+ 1 *<+<<('-, -,)-)./012=45 4 , 3 4 ,8 6 36 4 ,= ; 3;
Где %(', , )) – векторный потенциал в произвольной точке наблюдения с координатами (r, φ, z), 30 – расстояние между точкой интегрирования в пределах i-го объема и точкой наблюдения, @0 – вектор плотности тока в i-м объеме. Расстояния 30 определяются геометрией решетки, и эта процедура подробно описана в диссертации. Раскладывая токи на каждом из вибраторов в ряды по синусоидальным базисным функциям A()) и изменяя порядок суммирования и интегрирования, получаем систему линейных алгебраических уравнений для токов в вибраторах:
⎧LNLNLN
⎪Fст())=JK ()-)* ()-) (),)-)4)-+JK ()-)* ()-) (),)-)4)-+⋯+JK ()-)* ()-) (),)-)4)-
⎪ 6G AM6 6A /N A 66 AM6 OA /N A 6O AM6 ;A /N A 6; LNLNLN
Fст())=JK ()-)* ()-) (),)-)4)-+JK ()-)* ()-) (),)-)4)-+⋯+JK ()-)* ()-) (),)-)4)- ⎨OG 6A A O6 OA A OO ;A A O;
⎪ AM6 /N AM6 /N ... AM6 /N
LNLNLN
⎪Fст())=JK ()-)* ()-) (),)-)4)-+JK ()-)* ()-) (),)-)4)-+⋯+JK ()-)* ()-) (),)-)4)-
⎩ ;G
AM6 6A /N A ;6 AM6 OA /N A ;O AM6 ;A /N A ;;
где Fст()) –распределение поля падающей волны на i-м вибраторе. 0G
Элемент вектора-столбца напряжений на вибраторе можно записать:
ст /01∆U [8
PN F ()) ())4)=PN F cos( ). V0AW1X YZ /|G|^_4)−K ` ,
/N ;G /N V0AWO1 Z _ A
где ∆0 – разность хода на элементах относительно опорного, которая определяется геометрией решетки.
Эти выражения позволяют вычислить токи на каждом излучателе, входные импедансы диполей и разницу в набеге фазы принятого сигнала на элементах решетки по отношению к опорному, наиболее интересную для фазовых алгоритмов пеленгования. Амплитуды токов для всех излучающих элементов решетки, если считать, что радиус решетки мал, будут одинаково зависеть от угла места прихода волны, в то время как фаза будет по-разному изменяться в зависимости от и . Например, для случая простейшей четырехэлементной решетки с тремя диполями в нижнем ярусе и одним в верхнем. Фазовый сдвиг в диполе верхнего яруса относительного одного из диполей нижнего яруса, принятого за опорный, будет изменяться по закону
[8
а
∆ = b3 cos( ) − h ∙ ef( )ghi ( ) a
б
Рисунок 3 а) Двухрядная КАР из вертикальных вибраторов, б) изменение фазы на элементах относительно опорного в угломестной плоскости
= W cos( ) − ef( )_ hi ( ) j
Эти зависимости (∆0( )) проиллюстрированы на рисунке 3б. Полученные результаты позволяют выбрать оптимальные размеры двухъярусной КАР. Они были использованы при разработке секторной антенной решетки на основе горизонтальных излучателей (см. Главу 5).
Модель двухъярусной решетки была программно реализована в среде MATLAB. Эти результаты позволили алгоритмически определять геометрию и количество элементов в двухъярусной решетке по начальным условиям: сектор углов, в которых необходимо определение угла места, уровни сигналов на элементах, длина волны.
В работе получены математические модели для КАР с эллиптическим расположением элементов и модели двухрядных решеток с произвольным сдвигом элементов второй подрешетки в азимутальной плоскости на ∆ реш. Это позволило оценить возможность использования (с небольшой потерей по точности определения ) вместо одноярусных КАР двухъярусные, с тем же количеством каналов, однако с дополнительной возможностью определения . В работе приведены результаты оценки СКО для двух аналогичных решеток, с разносом элементов в вертикальной плоскости и без него.
В третьей главе рассмотрены вопросы построения КАР с горизонтальной поляризацией для работы с фазовыми алгоритмами пеленгования. Такие КАР могут быть реализованы из горизонтальных диполей любой конфигурации, излучателей Вивальди и рупорных излучателей. Для примера рассмотрена математическая модель КАР из дипольных излучателей, расположенных по окружности с одинаковым угловым шагом относительно центральной оси, синфазно и равноамплитудно возбуждаемых (рисунок 4).
Выражение для ДН КАР учитывающее интерференцию волн от разнесённых излучателей и амплитудно-фазовое распределение в диполях при пренебрежении связью между ними, получается из соотношений:
o0p qq
W + − 2 _ 2
n ( ) = n ( ) q ( ) o0p
y
Ai
l а
L
2
n ( , )=hi (rs∙hi W +2− _−hi (rs))
A1
φ
A
N-1
A0
x
= ∑ LA M % A . u v ( @ r ( u A h i + w A ) ) ,
Рисунок 4 Модель дипольной КАР
где комплексные коэффициенты %qA учитывают амплитудно-фазовое распределение в излучателях, no0p( , ) - ДН тонкого диполя.
Аналогичные упрощенные модели были получены для КАР с горизонтальной поляризацией, реализованных из излучателей Вивальди и рупорных излучателей. Математические модели КАР из диполей, излучателей Вивальди и рупорных излучателей были программно реализованы в среде MATLAB и позволили выявить зависимости неравномерности ДН от количества элементов и радиусов решеток. Для примера на рисунке 5 приведены зависимости неравномерности амплитудной ДН от числа излучателей при
различных радиусах КАР, где а) зависимость от числа диполей, б) излучателей Вивальди, в) рупоров.
,dB
,dB
абв
Рисунок 5 Зависимости неравномерности диаграммы направленности КАР (Δ) от числа
элементов при различных значениях
Эти результаты позволили разработать многоэлементный дипольный излучатель,
обладающий осесимметричной ДН в азимутальной плоскости, показанный на рисунке 6, где а) общий вид излучателя, б) ДН в азимутальной и в) угломестной плоскостях. Этот многоэлементный излучатель можно использовать в КАР в качестве одиночного излучателя, как показано на рисунке 7, где а) общий вид антенны. б) зависимость разности фаз второго и в) четвертого излучателей относительно первого.
абв
Рисунок 6 Многоэлементный излучатель из дипольных элементов
абв
Рисунок 7 КАР из многоэлементных излучателей на основе диполей,
В диссертации приведена защищенная патентом КАР на основе излучателей Вивальди, имеющая широкую рабочую полосу частот и способная работать в верхней части СВЧ диапазона, показанная на рисунке 8, где а) вид сверху, б) вид снизу.
В четвертой главе представлены КАР для амплитудных и комбинированных методов пеленгования систем радиомониторинга. Приведен предложенный в работе алгоритм разработки неэквидистантных антенных решеток и показан эффект его применения на примере плоской АР для секторных ПАРЛС. На первом этапе проектирования плоской неэквидистантной АР
аб предлагается использовать разработанный в работе
Рисунок 8 Антенна на основе излучателей Вивальди
алгоритм, основанный на нелинейном
программировании, решающий задачу минимизации дифракционных лепестков за счет не эквидистантного расположения излучателей в решетке при учете множественных ограничений на расположение излучателей. На рисунке
9 приведена блок-схема алгоритма, алгоритм программно реализован в среде MATLAB. Плюсами этого алгоритма
является малое время вычислений,
прозрачность и подконтрольность
(возможность изменения или уточнения
исходных параметров и увеличение
числа итераций). Недостатком его
является большое число начальных
значений и желательность задания
начальных параметров близких к
оптимальным из-за большой размерности задачи. Т.е. использование такого алгоритма особенно эффективно при наличии решетки-прототипа. На втором этапе предлагается применение моделей функционального уровня, а на третьем – использование встроенных в пакеты электромагнитного моделирования алгоритмов оптимизации. Последний этап дает наиболее достоверный и точный результат, однако требует больших машинных ресурсов. Для примера на рисунке 10 приведены итоговые ДН решетки (а) фотографии двух вариантов неэквидистантных антенных систем, реализованных на практике (б).
аб
Рисунок 10 а) Диаграммы направленности неэквидистантной решетки после
оптимизации, б) фотографии АР 13
Рисунок 9 Блок-схема работы программы
На рисунке 11 приведен ряд предложенных в диссертации решений для направленных КАР для амплитудных методов пеленгования в составе ПАРЛС, где на рисунке а) защищенный патентом балансный излучатель на основе Вивальди; б) решетка из излучателей типа Вивальди, в) модель излучателя с рефлектором, г) структура девятиэлементной антенной системы из экранированных дипольных излучателей.
абвг Рисунок 11 Технические решения для КАР с амплитудными методами пеленгования
В пятой главе приведены результаты экспериментальных измерений различных макетов антенных систем. Для примера, в процессе работы над диссертацией были разработаны КАР на основе многоэлементных дипольных излучателей с осесимметричной
ДН в азимутальной плоскости, показанные на рисунке 12, где а) антенный элемент решетки с горизонтальной поляризацией, б) КАР на испытательном полигоне, в) ДН одного элемента в азимутальной плоскости в диапазоне частот (сплошная линия соответствует частоте 470 МГц, точечная – частоте 630 МГц, штрихпунктирная – частоте
этой решетки и использовались
На основе результатов, полученных в диссертации разработана секторная цифровая двухъярусная антенная решетка на основе предложенных во второй главе многослойных горизонтальных излучателей. Конструкция решетки показана на рисунке 13, где показано а) фото одного излучателя; б) секторной антенной решетки системы ПКЛ; в) решетка на испытательном полигоне. В качестве элементарных излучателей использовались многослойные
комбинированные излучатели, предложенные в главах 2 и 4.
а
120 150
210
D, дБ
90 0 10 20
60
0 φ,...°
330 300
790 МГц.). При многоэлементных
теоретические результаты главы 3.
бв
Рисунок 12 Фотографии КАР на
основе дипольных излучателей
проектировании излучателей
абв Рисунок 13 Фотографии секторной двухъярусной решетки
ПАРЛС с разработанной антенной измеряет азимут цели в секторе 0-360°, а угол места в секторе -10±60°.
При проектировании, изготовлении и испытаниях решеток в составе ПКЛ теоретические результаты диссертации, результаты математического моделирования и экспериментальных исследований совпадали с достаточной точностью.
Другие разработки и их экспериментальные исследования подробно описаны в диссертации.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:
1. С использованием модернизированной программы имитации работы алгоритма MUSIC оценено сильное влияние неравномерности ДН на точность работы алгоритмов пеленгации. Установлены соотношения между диаметром кольцевой решетки с вертикальной и горизонтальной поляризациями, длиной волны сигнала и числом излучающих элементов, представляющие компромисс между массогабаритными параметрами и характеристиками неравномерности ДН элементов в составе решетки, и
обеспечивающие минимальные СКО определения азимута цели.
2. Получена алгоритмизируемая математическая модель двухъярусной кольцевой
антенной решетки для падающей плоской волны произвольной поляризации, позволяющей определять не только азимут, но и угол места цели. Исследовано влияние расстояния между излучающими элементами и их ярусами на точность определения азимутального и угломестного пеленгов.
3. Предложены защищенные патентами технические решения комбинированных многослойных излучателей двух типов для реализации КАР с полным перекрытием по азимуту. Исследована оценка СКО определения азимута источника сигнала алгоритмом MUSIC при использовании таких излучателей в многоэлементных решетках.
4. Получена математическая модель КАР, состоящей из горизонтально расположенных диполей, со встроенной системой диаграммоформирования, которая обеспечивает всенаправленную ДН в азимутальной плоскости. Получены зависимости неравномерности ДН в азимутальной плоскости от числа дипольных элементов, их размеров и размеров решетки.
5. Предложены технические решения для реализации КАР, состоящей из многоэлементных дипольных излучателей. Выполнена оценка СКО определения азимута источника сигнала при использовании такой КАР. Разработана, изготовлена и экспериментально исследована конструкция КАР с горизонтальной поляризацией на основе многоэлементных дипольных излучателей.
6. Получена математическая модель КАР из излучателей Вивальди и рупорных излучателей с горизонтальной поляризацией, выполнена оценка неравномерности ДН в зависимости от числа элементов Вивальди и рупоров, их размеров и диаметра решетки.
7. Предложен, защищенный патентом, антенный элемент с горизонтальной поляризацией на основе излучателей Вивальди, отличающийся простотой выполнения и малой неравномерностью ДН в азимутальной плоскости и исследованы его характеристики при определении азимута источника сигнала фазовым алгоритмом MUSIC. Предложен, защищенный патентом, балансный излучатель Вивальди с горизонтальной поляризацией, отличающийся реализацией схемы питания в виде трансформатора типа волны в SIW волноводе.
8. Предложена методика разработки плоских неэквидистантных антенных решеток. Разработан алгоритм синтеза таких систем методами нелинейного программирования. Приведено решение задачи при использовании методов нелинейного программирования, функционального и электродинамического моделирований. Спроектированы, изготовлены и экспериментально исследованы в составе системы пассивно-активной РЛС два типа неэквидистантных плоских решеток с 16x2 излучателями, позволившие наблюдать цели в углах сканирования ±350 по азимуту и 0-250 по углу места.
9. Разработана, спроектирована и испытана в составе системы пассивно-активной РЛС девяти элементная антенная система из экранированных излучателей, позволяющая наблюдать цели в угле сканировании 0-3600 по азимуту.
10. Разработана конструкция двухъярусной цифровой решетки, изготовлены 48 штук излучателей (2 комплекта по 4 решетки) на основе защищенных патентами диполей, с преселекторами приемных трактов, позволяющими осуществлять калибровку трактов.
Все разработанные антенные решетки экспериментально исследованы в составе различных вариантов ПКЛ. Результаты экспериментальных исследований удовлетворительно совпали с теоретическими выкладками.
В последнее время в связи с беспрецедентным увеличением количества беспилотных ле- тательных аппаратов (БПЛА) широко развиваются системы пассивной и полуактивной радио- локации (ПАРЛС) с подсветкой целей от внешних источников, (например, сигналов цифрового телевидения), обладающие скрытностью работы, дешевизной и возможностью эксплуатиро- ваться в городской среде, при охране важных объектов, например, атомной энергетики, в аэро- портах и во многих других случаях. В большинстве случаев к ПАРЛС предъявляются требова- ния кругового обзора, что приводит к необходимости использования в них кольцевых антенных решеток (КАР), многие вопросы проектирования которых применительно к ПАРЛС не изучены.
Прежде всего, это касается разработки сравнительно простых математических моделей многоярусных КАР с вертикальной и горизонтальной поляризацией, которые бы позволяли разработчику определять искажения фазовых и амплитудных диаграмм направленности (ДН) в зависимости от конструктивных параметров решетки и тем самым помогали выбирать опти- мальное конструктивное решение для КАР. Точное электродинамическое моделирование, тре- бующее больших вычислительных ресурсов и времени, может использоваться только для про- верки найденного решения.
Новые фундаментальные исследования в области схемотехнических и конструктивных решений излучателей для широкополосных КАР, работающих с вертикальной и горизонталь- ной поляризациями сигнала подсвета, не вполне удовлетворяют разработчиков, поскольку зача- стую имеют узкую полосу и обеспечивают большую неравномерность ДН КАР, что снижает точность определения пеленга на цель. Поэтому представляется актуальным поиск новых тех- нических решений для излучателей различных диапазонов частот, работающих в широкой по- лосе с вертикальной и горизонтальной поляризациями для использования в КАР, и оценка их характеристик в составе решеток.
Для секторных ПАРЛС требуется разработка алгоритмов синтеза неэквидистантных ан- тенных решеток, чтобы исключить влияние ложных пеленгов на цель, возникающих за счет дифракционных лепестков ДН.
Естественно, что необходимым является разработка экспериментальных образцов излу- чателей и антенных решеток на их основе, их исследование и проверка совпадений теоретиче- ских и экспериментальных характеристик.
Решению этих актуальных для настоящего времени задач и посвящена настоящая дис- сертационная работа.
Целью диссертационной работы является разработка новых технических решений и вы- явление закономерностей функционирования антенных элементов в составе КАР для повыше- ния точности работы станций пассивной и полуактивной радиопеленгации, функционирующих с полным перекрытием по азимутальному углу и ограниченному углу места, за счет модерниза- ции КАР и излучающих элементов антенных решеток, а также выявление эффектов, которые приводят к снижению точности работы.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
1. Разработка математических моделей одно- и многоярусных кольцевых антенных решеток, реализуемых аналитически или алгоритмически, позволяющих определять неравно- мерности фазовых и амплитудных ДН в зависимости от межэлементных расстояний, их влия- ние на точность определения направления на цель в случае применения их в системах ПАРЛС.
2. Выработка основанных на компромиссе между массогабаритными параметрами антенной системы и её электродинамическими характеристиками рекомендаций по расположе- нию элементов в составе КАР для разработчиков.
3. Поиск новых технических решений излучателей с вертикальной поляризацией для использования в КАР в широкой полосе рабочих частот и оценка их характеристик в составе решеток.
4. Поиск новых технических решений излучателей с горизонтальной поляризацией для использования в КАР и оценка их характеристик в составе решеток.
5. Определение методологии проектирования неэквидистантных антенных решеток и разработка алгоритмов синтеза таких систем.
6. Разработка экспериментальных образцов излучателей и антенных решеток на ос- нове теоретических результатов, их исследование и проверка совпадений теоретических и экс- периментальных характеристик.
Объектом исследования диссертационной работы являются КАР для ПАРЛС.
Предметом исследования является влияние электродинамических, конструктивных и массогабаритных параметров излучателей в составе КАР на работу системы ПАРЛС.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач ис- пользованы методы решения интегральных уравнений, теории цепей, теории матриц, методы компьютерного моделирования, экспериментальные методы натурных и лабораторных измере- ний.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
1. Выявлена степень влияния неравномерности фазовой и амплитудной ДН дипольных КАР на точность работы алгоритмов пеленгации при использовании комбинированных (ампли- тудно-фазовых) методов и только фазовых методов пеленгации посредством применения мо-
дернизированного алгоритма расчета СКО определения азимута и угла места методом MUSIC. 2. Получена математическая модель, алгоритмически реализуемая, двухъярусной кольце- вой антенной решетки, позволяющей определять не только азимут, но и угол места цели. Ис- следовано влияние расстояния между излучающими элементами и их ярусами на точность ра- боты алгоритмов определения азимутального и угломестного пеленгов.
3. Предложены защищенные патентами технические решения многослойных комбиниро- ванных излучателей двух типов для реализации КАР с полным перекрытием по азимуту. Ис- следована оценка СКО определения азимута источника сигнала алгоритмом MUSIC при ис- пользовании таких излучателей в КАР.
4. Получена математическая модель КАР, состоящей из горизонтально расположенных ди- полей, позволяющая оценить их влияние друг на друга в составе решетки, со встроенной систе- мой диаграммоформирования, которая обеспечивает всенаправленную ДН в азимутальной плоскости. Предложен многоэлементный дипольный излучатель с горизонтальной поляризаци- ей и получены зависимости неравномерности ДН в азимутальной плоскости от числа диполь- ных элементов, их размеров и диаметра решетки.
5. Получена математическая модель КАР из излучателей Вивальди и рупорных излучате- лей с горизонтальной поляризацией, выполнена оценка неравномерности ДН от числа элемен- тов Вивальди и рупоров, их размеров и диаметра решетки.
6. Предложены два защищенных патентами антенных элемента с горизонтальной поляри- зацией на основе излучателей Вивальди, отличающиеся простотой выполнения и малой нерав- номерностью ДН в азимутальной плоскости. Выполнена оценка СКО определения азимута ис- точника сигнала фазовым алгоритмом MUSIC при использовании предложенного элемента ос- нове излучателей Вивальди.
7. Предложена методика разработки плоских неэквидистантных антенных решеток. Разра- ботан алгоритм синтеза таких систем методами нелинейного программирования. Показана це- лесообразность для решения задачи использования нелинейного программирования, функцио- нального и электродинамического моделирований.
1. Диаметр и число излучающих диполей вертикальной поляризации кольцевой ре- шетки для ПАРЛС должны удовлетворять соотношению / ∼ (0.3 − 0.4) для достижения компромисса между массогабаритными параметрами, фазовой и амплитудной неравномерно- стью ДН элементов в составе решетки и точностными характеристиками системы. Для системы из горизонтальных излучателей и определяются соотношением / ∼(0.7−0.8) / ( / ).
2. Переход к двухъярусным кольцевым решеткам с угловым смещением одной из подреше- ток позволяет определять угол места цели с пренебрежимо малой потерей точности определе-
Положения, выносимые на защиту: ния азимута, причем точность определения угла места и азимута цели зависит от расстояния между подрешетками и числа излучателей.
3. Упрощенная математическая модель многоярусной кольцевой антенной решетки, обес- печивая достаточную точность для оценки ее электродинамических и массогабаритных пара- метров, значительно сокращает время проектирования.
4. Разработка неэквидистантных решеток для ПАРЛС требует последовательного примене- ния трех инструментов: разработанного в диссертации алгоритма на основе нелинейного про- граммирования, моделей функционального уровня и пакетов электродинамического моделиро- вания. При отсутствии жестких требований по точности, допустимо использование только пер- вого из приведенных инструментов.
Практическая значимость результатов в том, что:
1. Предложенные в работе соотношения позволяют проектировать КАР, исходя из требо-
ваний по габаритным размерам и необходимой точности системы. Для примера получена мо- дель двухъярусной десятиэлементной КАР из дипольных элементов со смещением элементов в вертикальной плоскости на /4, которая обладает возможностью определения угла места с точ- ностью в 9° на границах сектора и ухудшением точности по азимуту в 4° по сравнению с анало- гом, который не определяет.
2. Данные по неравномерностям фазовых и амплитудных ДН дипольных КАР и влиянию их на СКО определения на цель позволяют в короткие сроки оценить применимость КАР раз- личных радиусов в конкретных технических приложениях при разработке ПАРЛС.
3. Комбинированный излучатель вертикальной поляризации, предложенный в работе, об- ладает широкой полосой частот, при этом функции согласования и симметрирования выполня- ет копланарная линия в составе излучателя, что значительно упрощает конструкцию при его технической реализации и уменьшает количество элементов СВЧ-тракта.
4. Многоэлементный излучатель, приведенный в работе, за счет встроенного в конструк- цию устройства суммирования, обладает фазовыми и амплитудными характеристиками, соот- ветствующими расчетным. Представленные в работе закономерности позволяют разрабатывать излучатели этого типа, исходя из требований по неравномерности ДН или по коэффициенту усиления (КУ) в короткие сроки.
5. Предложенный алгоритм синтеза неэквидистантных антенных решеток может использо- ваться при синтезе больших плоских решеток, позволяя достигнуть уровня дифракционных ле- пестков до -10dB без снижения усиления решетки. Спроектированы, изготовлены и экспери- ментально исследованы в составе системы пассивно-активной РЛС два типа неэквидистантных плоских решеток с 16×2 излучателями, позволившие наблюдать цели в углах сканирования ±35° по азимуту и -5-25° по углу места. Внедрение результатов работы. Разработана, спроектирована и испытана в составе си- стемы пассивно-активной РЛС девяти элементная антенная система из экранированных излуча- телей, позволяющая наблюдать цели в угле сканировании 0-360° по азимуту. Разработана, изго- товлена и экспериментально исследована конструкция всенаправленной КАР на основе много- элементных дипольных излучателей. Разработана, изготовлена и экспериментально исследова- на конструкция неэквидистантной плоской решетки для секторной ПАРЛС. Результаты экспе- риментальных исследований подтвердили теоретические материалы диссертации. Разработана конструкция, изготовлены 48 штук излучателей (2 комплекта по 4 решетки) на основе защи- щенных патентом диполей, описание которых приведено во 2 главе, с преселекторами прием- ных трактов, позволяющими осуществлять калибровку трактов. Цифровые антенные решетки экспериментально исследованы в составе ПКЛ «Защита» в АО «НИИ «Вектор». Материалы диссертации также были использованы в ОКР «Охрана».
Достоверность результатов подтверждается корректным применением методов иссле- дования и математического аппарата, использованием современных пакетов моделирования, откалиброванного и поверенного оборудования. Результаты, полученные в серии эксперимен- тов, согласуются с результатами имитационного моделирования.
Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты диссертации были доложены и получили одобрение на следующих конференциях: 28-й Международной конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (2018 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Антенны и распространение радиоволн» (2018 г.), VII Все- российской научно-технической конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ» (2018 г.), 71-1 и 72-й Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава университета (2018, 2019 г.), Advances in Wireless and Optical Communications (RTUWO, 2018), 23-й и 24-й International Microwave and Radar Conference (MIKON) (2018, 2020 г.), 9-й Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO’2020) и ряде отечественных.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, из них – 2 статьи из перечня рецензируемых научных изданий ВАК РФ, 4 – патента на полезную модель, 5 – труды международных конференций, индексируемых в наукометрических базах Scopus/WoS, 5 публи- каций в сборниках конференций.
Структура диссертации. Структурно диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и поставлены зада- чи исследования, дается характеристика работы, представлены выносимые на защиту научные положения, приводится краткое содержание работы по главам. В первой главе диссертации выполнен анализ предметной области и проведен обзор со- временных решений для ПАРЛС, КАР, излучателей КАР различной поляризации и описан в общем виде алгоритм имитации работы MUSIC.
На основании проведенного анализа сформулирован вывод о том, что многие вопросы построения антенных решеток для пассивных и активно-пассивных локационных систем, и си- стем радиомониторинга освещены лишь в общих чертах. Отмечена перспективность разработки новых решений для таких систем. На основе материалов обзора формулируются цели и задачи исследований в диссертационной работе.
Во второй главе рассмотрены вопросы оптимального построения КАР из диполей с вер- тикальной поляризацией для реализации фазовых алгоритмов пеленгования.
Исследование неравномерностей ДН элементов в составе КАР от 3 до 9 элементов, воз- никающих вследствие взаимной связи элементов, выполнялось с помощью пакета программ CST Studio для различных расстояний между элементами. Результаты моделирования показали, что искажения амплитудной ДН в случае тонких диполей достигают 5дБ, а фазовой 30°.
Для исследования влияния неравномерностей ДН на работу ПАРЛС была использована описанная в первой главе программа имитации работы алгоритма MUSIC, позволяющая оцени- вать СКО азимутальных и угломестных пеленгов в антенных решетках с произвольными излу- чателями. Были получены СКО для углов в секторе = 90 … 130°. Это позволило выявить ошибки работы системы пеленгации из-за неравномерности фазовой ДН элементов.
Для определения не только азимутального направления на цель, но и угла места, была разработана математическая модель многоярусных КАР в случае свободно падающей плоской волны произвольной поляризации. Полученные закономерности позволяют вычислить токи на каждом излучателе, входные импедансы диполей и разницу в набеге фазы принятого сигнала на элементах решетки по отношению к опорному, наиболее интересную для фазовых алгоритмов пеленгования. Они позволяют выбрать оптимальные размеры двухъярусной КАР. Модель двухъярусной решетки была программно реализована в среде MATLAB. Эти результаты позво- лили алгоритмически определять геометрию и количество элементов в двухъярусной решетке по начальным условиям: сектор углов, в которых необходимо определение угла места, уровни сигналов на элементах, длина волны. Они были использованы при разработке секторной антен- ной решетки на основе горизонтальных излучателей (см. Главу 5).
В работе получены математические модели для КАР с эллиптическим расположением элементов и модели двухрядных решеток с произвольным сдвигом элементов второй подре- шетки в азимутальной плоскости на ∆ реш. Это позволило оценить возможность использования (с небольшой потерей по точности определения ) вместо одноярусных КАР двухъярусные, с тем же количеством каналов, однако с дополнительной возможностью определения . В работе приведены результаты оценки СКО для двух аналогичных решеток, с разносом элементов в вертикальной плоскости и без него.
Для повышения КУ антенны в составе КАР и ее рабочей полосы частот в диссертации были предложены защищенные патентами и многослойные комбинированные двух и трехслой- ные антенные излучатели с удобной реализацией симметрирующей и согласующих цепей.
В третьей главе рассмотрены вопросы построения КАР с горизонтальной поляризацией для работы с фазовыми алгоритмами пеленгования. Такие КАР могут быть реализованы из го- ризонтальных диполей различной конфигурации, излучателей Вивальди и рупорных излучате- лей. Получены математические модели для КАР с горизонтальной поляризацией, реализован- ных из дипольных элементов, излучателей Вивальди и рупорных излучателей. Они были про- граммно реализованы в среде MATLAB и позволили выявить зависимости неравномерности ДН от количества элементов и радиусов решеток. Эти результаты позволили разработать мно- гоэлементный дипольный излучатель, обладающий осесимметричной ДН в азимутальной плос- кости, этот многоэлементный излучатель можно использовать в КАР в качестве одиночного из- лучателя. Также в диссертации приведена защищенная патентом КАР на основе излучателей Вивальди, имеющая широкую рабочую полосу частот и способная работать в верхней части СВЧ диапазона.
В четвертой главе представлены КАР для амплитудных и комбинированных методов пеленгования систем радиомониторинга. Приведен предложенный в работе алгоритм разработ- ки неэквидистантных антенных решеток и показан эффект его применения на примере плоской АР для секторных ПАРЛС. На первом этапе проектирования плоской неэквидистантной АР предлагается использовать разработанный в работе алгоритм, основанный на нелинейном про- граммировании, решающий задачу минимизации дифракционных лепестков за счет не эквиди- стантного расположения излучателей в решетке при учете множественных ограничений на рас- положение излучателей. Плюсами этого алгоритма является малое время вычислений, прозрач- ность и подконтрольность (возможность изменения или уточнения исходных параметров и уве- личение числа итераций). Недостатком его является большое число начальных значений и же- лательность задания начальных параметров близких к оптимальным из-за большой размерности задачи. Т.е. использование такого алгоритма особенно эффективно при наличии решетки- прототипа. На втором этапе предлагается применение моделей функционального уровня, а на третьем – использование встроенных в пакеты электромагнитного моделирования алгоритмов оптимизации. Последний этап дает наиболее достоверный и точный результат, однако требует больших машинных ресурсов. В диссертации приведены решетки, разработанные при помощи представленного алгоритма. Также в диссертации предложен ряд решений для направленных КАР для амплитудных методов пеленгования в составе ПАРЛС, в том числе защищенный патентом балансный излуча- тель на основе Вивальди.
В пятой главе приведены результаты экспериментальных измерений различных макетов антенных систем. Для примера, в процессе работы над диссертацией были разработаны КАР на основе многоэлементных дипольных излучателей с осесимметричной ДН в азимутальной плос- кости. При проектировании этой решетки и многоэлементных излучателей использовались тео- ретические результаты главы 3.
На основе результатов, полученных в диссертации разработана секторная цифровая двухъярусная антенная решетка на основе предложенных во второй главе многослойных гори- зонтальных излучателей. В качестве элементарных излучателей использовались многослойные комбинированные излучатели, предложенные в главах 2 и 4. ПАРЛС с разработанной антенной измеряет азимут цели в секторе 0-360°, а угол места в секторе -10±60°.
При проектировании, изготовлении и испытаниях решеток в составе ПКЛ теоретические результаты диссертации, результаты математического моделирования и экспериментальных исследований совпадали с достаточной точностью.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (20 отзывов)
4.7 (96 отзывов)
4.9 (5 отзывов)
4.2 (13 отзывов)
4.8 (2878 отзывов)
4.8 (37 отзывов)
4.9 (343 отзыва)
4.9 (522 отзыва)
4.9 (20 отзывов)
