РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ АНТЕННЫХ СИСТЕМ БЕЗ ОПОРНО-ПОВОРОТНЫХ УСТРОЙСТВ (ОПУ)

July 26, 2012 by admin Комментировать »

Лукашук Е. В., Колосова Ю. В., Усиченко А. В. ОАО «АО Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений» Харьков, Украина e-mail: common(8)_niiri. kharkov. сот

Аннотация В докладе представлены несколько принципов построения дешёвых антенных систем без опорноповоротных устройств (ОПУ), которые могут быть использованы в качестве антенны кругового обзора противосамолётной защиты и управления воздушным движением, которые так необходимы сегодня из-за возрастающего количества авиакатастроф.

I.  Введение

С каждым годом растёт количество радиотехнических систем (РТС) различного назначения, у которых основным из важных элементов является антенная система. Как правило антенная система с хорошей направленностью имеет ОПУ, которые являются потребителями энергии, требуют больших эксплутационных затрат и зачастую ограничивают поисковые возможности в целом. Появившаяся попытка заменить антенны с ОПУ фазированными решётками не нашла широкого применения из-за исключительно высокой стоимости.

В работе сделана попытка разработать принципы построения антенных систем (АС) без ОПУ небольшой стоимости, особенно если антенна предназначена для кругового обзора, например, в системах ПВО, РТВ и управления воздушным движением, что особенно важно в настоящее время в связи с увеличивающимся количеством катастроф.

II.  Основная часть

Система организации воздушного движения является одним из важнейших механизмов, обеспечивающих устойчивую и надёжную работу авиации государств. Поэтому для обеспечения безопасности полётов необходимо не только строго соблюдать все нормативы и правила, что требует новейших способов управления воздушным движением с использованием новейших устройств УВД, работающих в любых климатических условиях. Одним из таких элементов является антенная система.

Одним из основных принципов построения антенной системы для РЛС кругового обзора без ОПУ является принцип построения такой антенной решётки, у которой за счет использования специальной конструкции антенного коммутатора выходов элементов антенной решетки к блоку постоянных фазовращателей, обеспечивающих скачкообразное сканирование диаграммы направленности кольцевой решетки во всем азимутальном секторе без значительных провалов и без возрастания уровня бокового излучения при равномерном амплитудном распределении возбуждения антенных элементов (АЭ) на апертуре антенны. Это обеспечивается тем, что в кольцевой антенной решетке для РЛС кругового обзора содержится кольцо симметричных идентичных АЭ, соединённых линиями передачи одинаковой длины и постоянные фазовращатели.

В состав антенны дополнительно включен антенный коммутатор периодического переключения выходов фидерных линий АЭ к постоянным фазовращателям в порядке возрастания номеров АЭ; каждый постоянный фазовращатель имеет по одному выходу и по четыре входа, которые в начальном состоянии связаны с АЭ с номерами n=m, n=m+1, n=N/2+3-m, n=N/2+2-m для фазовращателя с номером m до последнего фазовращателя с номером m=N/4+1, который в начальном состоянии связан с АЭ с номерами n=N/4+1, n=N/4+2, а выходы всех фазовращателей параллельно связаны с приемником (или передатчиком) РЛС. При этом круговой обзор пространства осуществляют путем периодического скачкообразного сканирования диаграммы направленности антенной решетки во всем азимутальном секторе путем периодического переключения АЭ к постоянным фазовращателям в порядке возрастания номеров АЭ. В каждом положении скачкообразного сканирования использовано N/2+2 АЭ из N АЭ антенны. Использование в данной приемопередающей антенне антенного коммутатора данной конструкции и N/4+1 постоянных фазовращателей позволяет обеспечить периодический скачкообразный обзор по азимуту во всем азимутальном секторе без значительных провалов и без использования сложных аналоговых или цифровых управляемых фазовращателей. Если сопровождение летательного аппарата реализуется моноимпульсным методом, то антенный коммутатор и постоянные фазовращатели представляют диаграммообразующую схему, которая формирует два луча, смещенных по азимуту на половину ширины одного луча. При суммировании сигналов этих лучей получаем один луч, с низким уровнем бокового излучения. То есть боковые лепестки одного луча подавляют боковые лепестки другого, а сигнал главных лепестков суммируется. Техническая сущность этой конструкции поясняется рис.1. На рис. 1 представлен эскиз предложенной кольцевой антенной решетки с АЭ в виде вибраторов и упрощенная структурная схема антенного коммутатора.

В состав конструкции входят следующие основные элементы: вертикальные симметричные АЭ 1 кольцевой антенной решетки; двухпроводные фидерные линии 2; антенный коммутатор 3 периодического переключения АЭ решетки к постоянным фазовращателям; постоянные фазовращатели 4; переключатели 5 выходов фидерных линий АЭ к постоянным фазовращателям (каждая фидерная линия имеет по два параллельных выхода, рядом с которыми указан номер соответствующего АЭ).

Если необходимо разрабатывать антенную систему с коэффициентом усиления в несколько раз превышающий коэффициент усиления одиночных систем, то количество АЭ и радиус кольцевой решётки возрастают. При этом количество АЭ может быть не велико, коммутатор прост, а скачок диаграммы направленности не превосходит половину своей ширину.

Таким образом предлагаемую антенную решетку можно использовать:

-для приёма телеметрической информации поступающей с борта ЛА;

–    для управления бортовой аппаратурой КА (например, КИС "Калина") и в других случаях.

Внешний вид данной антенной решётки представлен на рис. 2, где d расстояние между фазовыми центрами антенных элементов в горизонтальной плоскости; h расстояние между фазовыми центрами антенных элементов в вертикальной плоскости.

III.  Заключение

Таким образом в ходе рассмотрения принципов построения антенных систем без опорно-поворотного устройства можно сделать следующие выводы:

–   кольцевую антенную решётку целесообразно использовать в тех случаях, когда требуется повышенная точность определения азимутальной координаты, для увеличения точности определения угломестной координаты целесообразно использовать несколько колец

–  стоимость кольцевой предлагаемой решётки не на много превышает стоимости антенн с одинаковыми характеристиками излучения, если же учитывать долгосрочные расходы на эксплуатацию ОПУ, затраты энергии, смазочных и других материалов, то стоимость кольцевой решётки в несколько раз ниже существующих антенн кругового обзора с ОПУ.

IV. Список литературы

[1]  Основы проектирования антенных устройств. 4. 1. Под

редакцией А. В. РуноваМинск: 1970. 544 с.

[2]  Антенные решётки. Под редакцией Бененсона Л. С.

-М.: 1966.-367с.

DEVELOPMENT OF DESIGN PRINCIPLES FOR ANTENNA SYSTEMS WITHOUT BEARING-TURNING DEVICES

Lukashuk E. V., Kolosova Y. V., Usichenko A. V.

JSK “Scientific-research institution of radio engineering measurements” Ltd.

Kharkov, Ukraine e-mail: common(3)niiri. kharkov. com

Abstract Several design principles are presented in the paper for low-cost antenna system design without bearingturning devices (BTD), which could be used as circular observation antennas in anti-aircraft defense, and air traffic control so needed at present because of increasing number of air crashes.

I.  Introduction

Each year the number of radio engineering systems, having an antenna as the important element and designed for different purposes is increased. As a rule an antenna system with proper directivity has BTD, which are the power consumers, require significant financial exploitation expenses, limiting search opportunities as a whole. The attempt to change antennas with BTD by phased arrays still did not find appropriate application due to high cost ofthe latter. In the present paper an attempt is made to develop the design principles of low cost antenna systems without BTD, especially for the antennas with all-round surveillance, for example in anti-aircraft defence (AADS) and air traffic control (ATCS) systems. This topic is especially important to day due to the increasing number of aircraft crashes.

The system of air traffic management is one of the most important mechanisms, providing stable and reliable operation of aviation in the states. So to provide flight safety it is necessary not only to follow the all instructions and rules, but also new ways of air traffic control (АТС) should be used on the basis of newest АТС devices, operating under any climate conditions. One of these elements is the antenna system.

The main design principle of antenna system for mentioned above applications is connected with the construction of special antenna commutator, switching the receive antenna outputs and the block of phase shifters. The latter provide step-wise scanning of the circular array far field pattern within the whole azimuth sector without considerable nulls and side lobe level increase under the uniform amplitude distribution along the antenna aperture. To provide this the circular antenna array should contain the ring of symmetrical and identical antenna elements, connected by transmission lines of the same length and also the permanent phase shifters.

Additionally the antenna construction has an antenna commutator for periodical switching the outputs of the antenna element (AE) feeder lines to the permanent phase shifters in ascending order ofthe (AE) numbers.

At the same time the circular steering ofthe space is provided by periodical step-wise switching of the antenna array far field pattern within a total azimuth angular sector by periodical commutation the AE-s to the permanent phase shifters in an ascending order of their numbers. In every position of step-wise steering of N/2+2 AE-s ofthe total number N is utilized. The use of antenna commutator with specified construction and N/4+1 permanent phase shifters in the receive-transmit antenna given provides periodical step-wise surveillance along azimuth within total azimuth sector of scan without nulls of far field patterns and without application of complicated analog and digital phase shifters.

If the flying apparatus tracking is realized by monopulse method, then the antenna commutator and permanent phase shifters are as the beamformer, which forms two beams, shifted in azimuth plane on half of one beam width. When signals of both beams are combined, single beam results having low level of side lobes. That is, side lobes of one beam suppress that of the other, whereas the signals of both main loges are added.

The technical idea of the construction is clarified in fig.1, showing the sketch of the circular array proposed with AE-s as the half-wavelength vibrators and with the simplified configuration ofthe antenna commutator.

The construction contains: 1 symmetrical vertical AE of circular array; 2 twin-wire feeder lines; 3 antenna commutator for periodical connections of AE and appropriate permanent phase shifters; 4 permanent phase shifters; 5 commutators switching the AE feeder lines and permanent phase shifters (every feeder line has two outputs in parallel).

I.    Conclusion

The following conclusions flow from the principles, considered above:

–  it is reasonable to use circular array when the increased accuracy of angular coordinate measurement is required and to increase the measurement accuracy of elevation angle it is reasonable to use several rings;

– the cost of the circular array proposed is slightly higher than that ofthe prototype antenna with the same performance, but if the long-term expenses on BTD exploitation, power supply, lubricating and other materials are taken into account, then the circular array cost will be several times lower than that of the existing antennas with circular scan.

Рис.1

Fig.1

Плоские спиральные излучающие элементы Planar spiral radiating elements

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты