Фазовый радиопеленгатор

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для определения угловых координат источника непрерывного гармонического радиосигнала. В излбретении достигнут следующий технический результат: область однозначного измерения угла прихода плоской электромагнитной волны находится в пределах -π/2-π/2, при этом антенны разнесены на рсстояние, существенно превышающее рабочую длину волны. Сущность изобретения заключается в том, что в фазовом радиопеленгаторе, содержащем три антенны, три идентичных приемника, два фазометра, состоящих каждый из фазового детектора и фазовращателя на 90^o, для вычисления угла прихода электромагнитной волны используется не длина баз, а разность их длин, для чего в пеленгатор введены два дополнительных фазовых детектора и блок логической обработки сигналов. 2 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для определения угловых координат источника непрерывного гармонического радиосигнала.

Известен двухканальный фазовый радиопеленгатор с двумя ненаправленными приемными антеннами, фазовые центры которых разнесены друг от друга на расстояние b, называемое базой. Данная система применяется для определения угла α, характеризующего направление на источник излучения (см. рис. 2.9 на стр. 26 в [1]).

Выходы антенн этого пеленгатора через резонансные усилители (приемники) подключены к соответствующим входам фазометра, содержащего либо только фазовый детектор (см. рис. 2.9а в [1]), либо фазовый детектор и фазовращатель на 90^o (см. рис. 2.9б в [1]). В первом случае зависимость выходного напряжения фазового детектора от угла α получается четной функцией угла, а чувствительность при малых α низкой. Во втором случае пеленгационная характеристика получается нечетной функцией α, а чувствительность при малом α - наибольшей для данной системы. Точность определения угла в таком пеленгаторе повышается с увеличением отношения базы b к длине волны λ пеленгуемого источника (см. стр. 27в [1]). Однако увеличение базы приводит к возникновению неоднозначности измерений.

Для устранения неоднозначности уменьшают сектор измеряемых углов, применяя для этого направленные приемные антенны, ширина диаграммы направленности которых не превышает величины зоны однозначности (см. рис. 4.4 на стр. 168 в [2] ). Так как применение более дорогих остронаправленных антенн и сужение сектора обзора во многих случаях является недопустимым, то используются другие способы преодоления неоднозначности.

В [3] на стр. 300, 301 описан фазовый радиопеленгатор, в который для расширения сектора однозначного отсчета введен третий антенно- приемный канал с уменьшенной базой между третьей и одной из двух других антенн. При этом меньшая база выбирается однозначной, т.е. ее размер не превышает половины рабочей длины волны. Данный пеленгатор включает в себя три антенны, три приемника и два фазометра, причем каждый из фазометров выполнен на основе фазового детектора и фазовращателя на 90^o подобно тому, как выполнен фазометр, изображенный на рис 2.9 б в [1]. В таком варианте входами соответствующего фазометра являются первый вход фазового детектора и вход фазовращателя, а выход фазовращателя подсоединен ко второму входу фазового детектора. В этом пеленгаторе создаются две шкалы: грубая, построенная на основе данных, полученных при использовании однозначной базы, и точная, соответствующая более протяженной неоднозначной базе.

Такой же способ разрешения неоднозначности применен в фазовой системе, функциональная схема которой изображена на стр. 150 в [4] (см. рис. 13 главы 4). Эта система имеет четыре антенно-приемных канала и три фазометра. Фазовые детекторы, показанные на рис. 13 в [4] и выполняющие роль фазометров, должны содержать фазовращатели на 90^o . Грубая однозначная шкала в рассмотренных пеленгаторах с несколькими базами получается благодаря применению нескольких близкорасположенных антенн. Т.к. размер базы при этом становится сопоставимым с длиной волны, в указанных пеленгаторах возрастает взаимное влияние антенн, характеристики которых ухудшаются (искажается диаграмма направленности, уменьшается входное сопротивление (см. стр. 26-27 в [5] и стр. 39 в [6)), и кроме того, во многих случаях расположить фазовые центры антенн на столь малом расстоянии друг от друга не представляется возможным из-за конструктивных особенностей самих антенн. По этой причине, например, в системе сопровождения ИСЗ, описанной в [7] на стр. 54, 55, комплекс антенн, предназначенный для устранения неоднозначности, смещен относительно центра антенного поля и сдвинут с линии основной базы, что привело к возникновению ошибок параллакса.

Из известных радиопеленгаторов наиболее близким по технической сущности является описанный выше радиопеленгатор (стр. 300, 301 в [3]), содержащий три антенны, три идентичных приемника и два фазометра. При этом каждый фазометр состоит из фазового детектора и фазовращателя на 90^o . Выходы антенн подключены к входам соответствующих приемников, причем выход первого приемника подсоединен к первому входу первого фазового детектора, выход второго приемника подсоединен к первому входу второго фазового детектора и ко входу первого фазовращателя, выход которого подсоединен ко второму входу первого фазового детектора. Выход третьего приемника соединен со входом второго фазовращателя, выход которого подключен ко второму входу второго фазового детектора. Антенны установлены на одной линии, а расстояние между фазовыми центрами первой и второй антенны не превышает половину длины волны и определяется заданной областью однозначности, а расстояние между второй и третьей антенной выбирается исходя из заданной точности измерений и составляет единицы или десятки длин волн.

При расположении первой и второй антенны на расстоянии, не превышающем половину длины волны, в описанном пеленгаторе достигается однозначность измерений в секторе углов от -π/2 до π/2. Однако - сильное взаимное влияние близкорасположенных антенн, искажает их диаграммы направленности и уменьшает их входное сопротивление, что ведет к возникновению ошибки измерений и усложнению конструкции приемников пеленгатора; - возникает неоднозначность измерений в широком секторе углов в тех случаях, когда конструктивные особенности антенн не позволяют создать однозначную базу.

Задачей изобретения является получение однозначных измерений в широком секторе углов при использовании в пеленгаторе нескольких неоднозначных баз и применении любых антенных конструкций.

В изобретении достигается следующий технический результат: - антенны разнесены на расстояние, существенно превышающее рабочую длину волны, что позволяет использовать любые антенные конструкции, а в результате отсутствия взаимного влияния антенн, их диаграммы направленности не искажаются, и входные сопротивления не уменьшаются; - однозначные измерения проводятся в секторе углов от -π/2 до π/2 при использовании антенн любого типа и разнесенных на расстояния, существенно превышающее длину волны.

Указанный технический результат достигается в фазовом радиопеленгаторе, содержащем три антенны, три идентичных приемника, два фазометра, состоящих каждый из фазового детектора и фазовращателя на 90^o , причем выходы антенн подключены ко входам соответствующих приемников, выход первого приемника соединен с первым входом первого фазового детектора, выход второго приемника соединен с первым входом второго фазового детектора и со входом первого фазовращателя, выход которого подключен ко второму входу первого фазового детектора, а выход третьего приемника соединен со входом второго фазовращателя, выход которого подключен ко второму входу второго фазового детектора, за счет того, что в нем разность длин баз соответствует соотношению - длина волны, α_o - заданная граница сектора однозначности, а длина баз ограничена снизу допустимым уровнем взаимного влияния антенн, и введены два дополнительных фазовых детектора и блок логической обработки, причем первый и второй входы первого дополнительного фазового детектора соединены, соответственно, с выходами первого и второго приемников, а первый и второй входы второго дополнительного фазового детектора соединены соответственно с выходами второго и третьего приемников, выход каждого фазового детектора подключен к соответствующему входу блока логической обработки, выход которого является выходом пеленгатора.

Выбор баз, исходя из заданных условий, и введение при этом в фазовый радиопеленгатор двух дополнительных фазовых детекторов и блока логической обработки сигналов позволило использовать для вычислений угла прихода волны не длину баз, а разность их длин. В результате расширен сектор измеряемых углов до значений -π/2-π/2 при том, что антенны разнесены на расстояние, существенно превышающее рабочую длину волны.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 изображена структурная схема фазового радиопеленгатора, а на фиг. 2 - структурная схема блока логической обработки.

Фазовый радиопеленгатор содержит следующие элементы (см. фиг. 1): три антенны 1, 2, 3; три идентичных приемника 4, 5, 6; два фазометра 7. 8; фазовые детекторы 9, 10; фазовращатели 11, 12; дополнительные фазовые детекторы 13, 14; блок логической обработки 15. Выходы антенн 1, 2, 3 подключены ко входам соответствующих приемников 4, 5, 6. Выход первого приемника 4 подсоединен к первому входу первого фазового детектора 9. Выход второго приемника 5 подключен к первому входу второго фазового детектора 10 и ко входу первого фазовращателя 11. Выход фазовращателя 11 подсоединен ко второму входу первого фазового детектора 9. Выход третьего приемника 6 соединен со входом второго фазовращателя 12. Выход фазовращателя 12 подключен ко второму входу второго фазового детектора 10. Первый и второй входы первого дополнительного фазового детектора 13 подключены соответственно к выходам первого 4 и второго 5 приемников. Первый и второй входы второго дополнительного фазового детектора 14 подсоединены соответственно к выходам второго 5 и третьего 6 приемников. Выход каждого фазового детектора 9, 10, 13, 14 подключен к соответствующему входу блока логической обработки 15, выход которого является выходом пеленгатора.

Конструктивные особенности заявляемого пеленгатора заключаются в следующем. Антенны 1, 2, 3 устанавливаются на одной линии так, чтобы оси симметрии их диаграмм направленности были перпендикулярны линии установки, при этом базы b₁ и b₂ отличаются на величину длина волны, α_o - граничное значение сектора измеряемых углов. Минимальная длина баз ограничена условием наименьших заданных искажений характеристик антенн и составляет единицы или десятки длин волн, при этом максимальная длина практически не ограничена, так как приходящий волновой фронт можно считать локально плоским. Приемники 4, 5, 6 выполнены идентичными. В качестве фазовых детекторов 9, 10, 13, 14 могут быть использованы перемножители напряжений, на выходе которых установлены фильтры нижних частот.

Блок логической обработки 15 (фиг. 2) содержит следующие элементы: сумматоры напряжений 16, 17; вычитатели напряжений 18, 19; компаратор абсолютных величин 20; управляемые двухпозиционные ключи 21, 22; делитель напряжений 23. Первый вход первого сумматора 16 и неинвертирующий вход первого вычитателя 18 объединены и подключены к выходу фазового детектора 13. Второй вход сумматора 16 и инвертирующий вход вычитателя 18 объединены и подключены к выходу фазового детектора 14. Первый вход второго сумматора 17 и инвертирующий вход второго вычитателя 19 объединены и подключены к выходу фазового детектора 9. Второй вход сумматора 17 и неинвертирующий вход вычитателя 19 объединены и подключены к выходу фазового детектора 10. Выход сумматора 16 подключен к первому входу компаратора 20 и к первому входу 21.1 первого ключа 21. Выход сумматора 17 соединен со вторым входом компаратора 20 и со вторым входом 21.2 ключа 21. Выход компаратора 20 соединен с управляющими входами ключей 21, 22. Выход вычитателя 19 соединен с первым входом 22.1 второго ключа 22. Выход вычитателя 18 соединен со вторым входом 22.2 ключа 22. Выход каждого из ключей 21, 22 соединен с соответствующим входом делителя напряжений 23. При этом выход ключа 22 соединен со входом делителя 23, предназначенным для делимого напряжения (х), а выход ключа 21 соединен со входом делителя 23, предназначенным для подачи напряжения, на которое осуществляется деление (y). Таким образом, на выходе делителя 23 получается отношение x/y. Особенностью компаратора 20 является то, что в нем сначала определяются модули поданных на его входы напряжений, а затем производится сравнение этих модулей друг с другом. Сравнение модулей напряжений осуществляется благодаря тому, что на входе схемы сравнения (см. [8], стр. 287) установлен диодный мост. Ключи 21, 22 и компаратор 20 настраиваются так, что в случае, когда модуль выходного напряжения сумматора 16 больше или равен модулю выходного напряжения сумматора 17, с выхода компаратора 20 на управляющие входы ключей 21, 22 поступает напряжение, при котором выходы ключей соединяются с соответствующими клеммами, имеющими индекс 1 (соответственно, 21.1 и 22.1). В противном случае выходы ключей соединяются с соответствующими клеммами, имеющими индекс 2 (соответственно, 21.2 и 22.2). Принципиальные схемы входящих в блок логической обработки 15 каскадов могут быть реализованы с помощью общеизвестных принципов и технических средств (см. стр. 43, 131 - 132 в [9], а также [8]).

Радиопеленгатор работает следующим образом. При действии на антенны 1, 2, 3 плоской электромагнитной волны, приходящей под углом α к нормали относительно линии расположения антенн, на выходах фазовых детекторов 9, 10 образуются соответствующие напряжения а на выходах дополнительных фазовых детекторов 13, 14 соответственно получается

(см. стр. 25-27 в [1]).

Так как каналы приема идентичны, напряжение U в записанных формулах одно и то же. Базы b₂ и b₁ выполнены неоднозначными, при этом одна из баз, например, b₂ больше, чем b₁ (см. фиг. 1).

Требуемая однозначная пеленгационная характеристика F(α) может быть получена, если использовать следующие алгоритмы обработки напряжений U₉, U₁₀, U₁₃, U₁₄:


причем в силу тригонометрических соотношений F₁(α) ≡ F₂(α).
В блоке логической обработки 15 в сумматоре 16 вычисляется знаменатель первого алгоритма, а в сумматоре 17 - знаменатель второго алгоритма. Числитель первого алгоритма определяется в вычитателе 19, а числитель второго алгоритма - в вычитателе 18. В компараторе 20 блока логической обработки 15 определяются и сравниваются между собой модули выходных напряжений сумматоров 16 и 17, то есть сравниваются между собой модули знаменателей первого и второго алгоритмов. Если модуль знаменателя первого алгоритма больше или равен модулю знаменателя второго алгоритма, то с выхода компаратора 20 на управляющие входы ключей 21, 22 поступает напряжение, при котором выходы ключей соединяются с соответствующими клеммами, имеющими индекс 1. При этом в делителе напряжений 23 рассчитывается пеленгационная характеристика по первому алгоритму. Если же модуль знаменателя первого алгоритма меньше модуля знаменателя второго алгоритма, то выходы ключей 21, 22 по управляющему сигналу компаратора 20 соединяются с соответствующими клеммами, имеющими индекс 2. В этом случае пеленгационная характеристика в делителе напряжений 23 рассчитывается в соответствии со вторым алгоритмом. Таким образом удается избавиться от неоднозначности измерений, которая могла возникнуть из-за использования баз, размеры которых превышают рабочую длину волны, а также исключена неопределенность вида O/O, возникающая при использовании только одного первого или одного второго алгоритма. В итоге на выходе делителя напряжений согласно алгоритму

формируется пеленгационная характеристика
Разность баз (b₂ - b₁) определяется величиной сектора измеряемых углов Если выбрать Δb = λ/4, то шкала пеленгатора будет однозначной в пределах -π/2 < α < π/2. Таким образом, несмотря на то, что базы неоднозначны, на выходе блока логической обработки 15 формируется однозначная шкала в широком секторе углов.

В предложенном изобретении достигнут следующий технический результат: увеличение сектора измеряемых углов до значений -π/2-π/2 при разнесении антенн пеленгатора на расстояние, существенно превышающее рабочую длину волны.

Источники информации.

1. Лезин Ю.С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем: Учеб. пособие для ВУЗов. - М.: Радио и связь, 1986.

2. Сайбель А.Г. Основы радиолокации. - М.: Сов. радио, 1961.

3. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. Учеб. пособие для вузов. - М.: Сов. радио, 1970.

4. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. - М.: Сов. радио, 1978.

5. Кочержевский Г. Н. Антенно-фидерные устройства: Учебник для вузов. - 3-е изд., доп. и перераб. - М.: Радио и связь, 1981.

6. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов / В. С. Филиппов, Л. И. Пономарев, А. Ю. Гринев и др.; Под ред. Д. И. Воскресенского. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Радио и связь, 1994.

7. Белавин О.В., Зерова М.В. Современные средства радионавигации. - М.: Сов. радио, 1965.

8. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983.

9. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988.

Формула изобретения

Фазовый радиопеленгатор, содержащий три антенны, три идентичных приемника, два фазометра, состоящих каждый из фазового детектора и фазовращателя на 90^o, причем выходы антенн подключены ко входам соответствующих приемников, выход первого приемника соединен с первым входом первого фазового детектора, выход второго приемника соединен с первым входом второго фазового детектора и со входом первого фазовращателя, выход которого подключен ко второму входу первого фазового детектора, а выход третьего приемника соединен со входом второго фазовращателя, выход которого подключен ко второму входу второго фазового детектора, отличающийся тем, что в нем разность длин баз соответствует соотношению где λ - длина волны, α_o - заданная граница сектора однозначности, а длина баз ограничена снизу допустимым уровнем взаимного влияния антенн, введены два дополнительных фазовых детектора и блок логической обработки, причем первый и второй входы первого дополнительного фазового детектора соединены соответственно с выходами первого и второго приемников, а первый и второй входы второго дополнительного фазового детектора соединены соответственно с выходами второго и третьего приемников, выход каждого фазового детектора подключен к соответствующему входу блока логической обработки, выход которого является выходом пеленгатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2