Амплітудні кутовіпеленгатори і дискримінатори
пеленгатордискримінатор сигнал амплітудний
Амплітудні кутовіпеленгатори
Амплітуднийпеленгатор конструкційно виконується у вигляді однієї антенної системи з двомарознесеними за кутом ДН, які мають єдиний фазовий центр.
Сигнали,прийняті двома антенами, надходять на них одночасно, тобто з однаковою фазою,але з різними амплітудами, тому що диференціальні коефіцієнти підсилення ДН G1(j) і G2(j) неоднакові ізалежать від кута надходження сигналів відповіді.
Напрямокнадходження сигналів Dj°ц відносно РСНвизначається за співвідношенням диференціальних коефіцієнтів підсилення G1(j)/G2(j), тобто востаточному підсумку, за співвідношенням амплітуд сигналів у двоканальномуприймачі (U1/U2). Використаннядвоканального принципу дозволяє визначати кутове положення цілі незалежно відабсолютних значень амплітуд прийнятих сигналів, тобто незалежно від відстані доцілі, потужності передавача відповідача, згасання радіохвиль в атмосфері йінших дестабілізуючих чинників. Але тоді, зазвичай, на перший план висуваєтьсявимога взаємної амплітудної стабільності обох каналів приймального тракту аж довхідних ланцюгів відповідного кутового дискримінатора.
Наведенана рис. 1 найпростіша реалізація амплітудного кутового пеленгатора має ряднедоліків. Головний недолік полягає в тому, що в такому пеленгаторі відсутнійєдиний канал, за яким провадиться запит і відбувається прийом сигналіввідповідей.
Крімтого, у найбільш важливій зоні поблизу РСН спостерігається знижена чутливістьпеленгатора стосовно прийнятих сигналів. Виникають також певні труднощі вреалізації систем придушення бокових пелюсток обох ДН антени.
Узв’язку з цим у кутових амплітудних пеленгаторах сучасних моноімпульснихвторинних оглядових радіолокаторів використовують дещо інший принципамплітудного порівняння прийнятих сигналів. Цей принцип припускає, що длязапиту і прийому відповіді використовується та сама антена, яка формуєодночасно три ДН: так звану «сумарну» гостроспрямовану ДН (Σ), різницеву (Δ),що має глибокий провал у напрямку осі симетрії сумарної діаграми, інеспрямовану діаграму (Ω), призначену для придушення сигналів боковихпелюсток сумарної ДН за запитом і відповіддю. Ця діаграма охоплює всі боковіпелюстки сумарної і різницевої діаграм, але не охоплює головні пелюстки цихдіаграм (рис. 1).
Ширинасумарної ДН в азимутальній площині на рівні -3 дБ зазвичай обирається умежах 2…3°, тоді кут між двома максимумами різницевої ДН становить 2,5…3,5°. Уцьому випадку глибина нуля різницевої ДН на 28…38 дБ нижче максимальногорівня сумарного променя.
Згідноз чинними нормами рівень бокових пелюсток сумарної ДН має бути менше–24 дБ, а випромінювання потужності неспрямованої антени за всіманапрямками, крім напрямку головної пелюстки сумарної антени, має бути менше–9 дБ у порівнянні з випромінюванням потужності головною пелюсткоюсумарної ДН.
Навідміну від амплітудного кутового пеленгатора, відхилення цілі від кутового положенняосі антени визначається не за співвідношенням амплітуд сигналів U1/U2,а за співвідношенням амплітуд сигналів у різницевому і сумарному каналахпеленгатора (UD/Uå). Розглянутевище ілюструється рис. 2. У верхній частині рисунку в прямокутних координатахв умовному вигляді наведені сумарна Gå(Dj) і різницева GD(Dj) ДН антени уфункції відхилення азимутального куту Dj° від осьовогоположення антени. Штриховою лінією показана так звана поправна діаграма GD/Gå, утворена діленнямкоефіцієнтів підсилення різницевої ДН на коефіцієнти сумарної діаграми.
Якщопри обертанні антени у якийсь момент в зоні дії сумарної ДН опиниться ПС і воновідповідатиме на запит, то на сумарному і різницевому виходах пеленгатораз’являться сигнали відповіді Uå1 і UD1. У момент появисигналу Uå1 фіксуєтьсямиттєве положення антени jА1, а заспіввідношенням сигналів UD/Uåвизначаєтьсякутова поправка Djц1, за допомогоюякої визначається справжнє кутове положення цілі
/>.
Сумарнаі різницева ДН антени є парними функціями кутів Dj°. Тому залежністьUD/Uå є також парноюфункцією Dj°, за якою неможна однозначно визначити знак відхилення цілі від кутового положення осіантени. У сумарно-різницевих амплітудним кутових пеленгаторах знаккоригувальної кутової добавки доводиться визначати оцінюванням різниці фаз Dy° сигналів,прийнятих за сумарним і різницевим каналами. Справа в тому, що фаза сигналів сумарногоканалу залишається незмінною в межах усієї сумарної ДН антени, а в різницевомуканалі спостерігається різка зміна фази сигналу від +90 до -90° у точцінульового відхилення азимутального кута від положення осі антени.
Унижній частині рис. 2 наведена залежність різниці фаз Dy° між сумарним і різницевимсигналами у функції кута Dj°. За позитивнихзначень Dj° коригувальнадобавка Djц° матиме негативнийзнак, а за негативних – позитивний. Таким чином, амплітудні кутовідискримінатори, призначені для визначення коригувальної добавки Djц, повинні міститипристрої, що реагують не лише на співвідношення амплітуд сигналів UD і Uå, але і нарізницю фаз y=+90° або y=-90°.
Розглянемодеякі кількісні співвідношення, що визначають можливість реалізаціїсумарно-різницевого амплітудного пеленгатора. Антени, які формують одночаснотри ДН, конструкційно зазвичай виконуються у вигляді пласких антенних ґраток,що містять у поземній площині до 35, а у прямовисній – до 12 випромінюючихелементів. Для отримання вузької ДН в поземній площині з малим рівнем боковихпелюсток використовується рівномірне розташування елементів у ґратці і синфазнеїхнє заживлення. Розподіл потужності за поземним розкривом антени засновуєтьсяв теоретичному плані на функціях Дольфа – Чебишева, а в практичному планінаближається ближче до розподілу Тейлора. Сумарна ДН тоді описуватиметься виразом:
/>, (1)
де I– інтегральна дифракційна функція типу />;l – розкрив антени; l – довжина хвилі; Δφ– кут відхилення від максимуму ДН антени.
Дляодержання різницевої ДН у найпростішому випадку антенні ґратки поділяться надві половини й обидві половини заживлюються у протифазі. Діаграмаописуватиметься тоді виразом:
/>. (2)
Вирази(1) і (2) дозволяють визначити поправну функцію амплітудно-різницевогопеленгатора
/> (3)
Графікипоправних функцій такого пеленгатора для різних поземних розмірів антеннаведені на рис. 3. Прийнята довжина хвилі 27,5 см відповідає несучійчастоті сигналів відповіді 1090 МГц. Крутизна поправних функцій достатньовелика для отримання високої точності визначення кутового положення цілі.
Робочимсектором ДН сумарно-різницевого амплітудного пеленгатора за умови прийому достатньовеликих рівнів сигналів приймається азимутальний сектор, обмежений точкамиперетинання сумарної і різницевої ДН (рис. 2, а і б). Ціточки можуть бути відшукані за допомогою виразів (1) і (2), якщо припустити виконанняумови:
/>,
тобто
/>,
де />– граничні значенняазимутальних кутів робочого сектора.
Значеннятригонометричних функцій у виразах однакові при аргументах 45°, або ж врадіанах 0,785. Отже,
/>.
Звідси />,
абодля хвилі довжиною 0,275 м і з урахуванням переходу від радіанної міри доградусної де розкрив антени l вимірюється у метрах. Для часто використовуваниху сучасних амплітудних пеленгаторах антенних ґраток із поземними розмірами 5 і8 м, що забезпечує необхідну ширину сумарної ДН порядку 2,0…2,3° на рівні–3 дБ, одержуємо відповідні граничні значення робочих секторів ±1,57 і±0,981°, а це цілком достатньо для нормальної роботи пеленгаторів.
/>, (4)
Сучаснийрозвиток антенної техніки не викликає принципових труднощів у виготовленнісумарно-різницевих амплітудних пеленгаторів, що задовольняють усі вимогивикористання їх у моноімпульсних вторинних оглядових радіолокаторах. Певніпроблеми виникають лише у розробці кутових дискримінаторів, оскільки отримана вамплітудних пеленгаторах висока точність визначення кутового положення ціліможе бути збережена лише за високої стабільності параметрів цих дискримінаторів.
Амплітуднийкутовий дискримінатор
Амплітуднийкутовий дискримінатор визначає коригувальний кутовий зсув положення цілі Djц відносно кутовогоположення максимуму сумарної ДН антени пеленгатора. Значення Djц визначається заспіввідношенням амплітуд сигналів UD і Uå, пpийнятихрізницевим і сумарним каналами амплітудного пеленгатора. Для того, щоб результатвизначення не залежав від абсолютних значень UD і Uå,використовується не різниця, а відношення амплітуд цих сигналів
/>.
Якщопараметри антени відомі, тобто відомі форми різницевої і сумарної ДН антени, товідомі сама функція /> та похідна цієїфункції. Ці функції записуються до пам’яті обчислювального пристрою, і наамплітудний кутовий дискримінатор покладається лише задача оперативноговизначення співвідношень прийнятих від кожної цілі сигналів UD і Uå і знака цихспіввідношень. Спрощена функціональна схема такого дискримінатора наведена на рис. 4.
Навхід дискримінатора надходять сигнали із сумарного і рiзницевого каналівамплітудного пеленгатора. У змішувачах високочастотні сигнали UD і Uå перетворюються впроміжну частоту, підсилюються в логарифмічних підсилювачах, детектуються амплітуднимидетекторами і далі надходять до схеми порівняння, яка обраховує логарифмивхідних сигналів. Вихідний сигнал у цьому випадку дорівнюватиме
/>,
де К1і К2 – коефіцієнти передачі відповідних каналів амплітудногодискримінатора.
/>
Якщо коефіцієнтиК1 і К2 однакові, то
/>. (5)
Вихіднанапруга UВИХ утворює пеленгаційну характеристику, що єфункцією кута DjЦ між напрямком націль і віссю симетрії сумарної пелюстки ДН антени, оскільки
/>.
Нарис. 5 наведені графіки таких пеленгаційних характеристик дляідеалізованих випадків, коли ДН антени пеленгатора описуються виразами (1),(2), довжина хвилі λ=0,275 м і поземні розміри фазованих антеннихґраток дорівнюють відповідно 10; 8 і 5 м. Найбільша крутизна характеристики відповідає малим значенням Δ φЦ, із чого випливає, щопохибки вимірювання амплітуд сигналів мінімально впливають на точністьвизначення кутового положення цілі в тих випадках, коли ціль знаходитьсяпоблизу центру ДН сумарного променя антени.
/>
Завеликих відхилень положення цілі від напрямку осі антени крутизна пеленгаційноїхарактеристики знову збільшується, але це, зазвичай, відбувається вже за межамиробочого сектора пеленгатора, коли значення сигналу, прийнятого сумарною ДН,значно змeншується і погіршується відношення сигнал/шум.
Пеленгаційнахарактеристика є парною функцією кутового відхилення Δ φЦ.Тому для визначення знака відхилення Δ φЦ у схеміамплітудного кутового дискримінатора передбачений ФД, до якого надходятьсигнали проміжної частоти сумарного і різницевого каналів.
До ФДамплітудного дискримінатора не висуваються жорсткі вимоги до точностівизначення різниці фаз цих сигналів. Від нього потрібно лише визначення знакацієї різниці, тобто +90 або -90°, оскільки у точці, щовідповідає максимуму ДН сумарного променя антени, відбувається зміна фазисигналу різницевого каналу на 180°(див.рис. 2). На виході ФД відповідно утвориться позитивна або негативнанапруга «Знак», що разом із вихідною напругою дискримінатора (UвИх)подаються до обчислювального пристрою.
Похибкавизначення кутової поправки в амплітудному дискримінаторі залежить відідентичності обох каналів дискримінатора і точності логарифмування сигналів уних. Необхідна короткочасна і довгострокова ідентичність коефіцієнтівпідсилення досягається за рахунок використання диференціальних систем автоматичногорегулювання підсилення, які працюють за власними шумами приймачів або запілот-сигналами. Часто за пілот-сигнал використовують сигнали контрольнихвідповідачів (позиційних моніторів), розташованих на відстані 2…4 км відзапитувача у точці зі заздалегідь відомими координатами. За сигналамивідповідей контрольного відповідача провадиться корекція параметрів кутовогодискримінатора і контроль роботоздатності всієї апаратури моноімпульсного ВРЛ.
Логарифмуваннясигналів в амплітудних дискримінаторах може проводитися як на проміжній, так іна відеочастоті. Найбільш висока точність логарифмування досягається вбагатокаскадних підсилювачах проміжної частоти з використанням методу послідовногодетектування.
Точністьутворення логарифмічного закону амплітудної характеристики таких підсилювачівдосягає />0,5дБ у динамічному діапазоні порядку 80 дБ. За межами цього діапазонупохибки логарифмування різко зростають. Якщо похибки логарифмування носятьстабільний />характер,то вони можуть бути компенсовані в обчислювальному пристрої, який перетворитьвихідні сигнали дискримінатора в значення кутової поправки Djц°. Досягається цеуведенням відповідних змін у калібровані характеристики пристроїв пам’яті підчас їхнього програмування.
Основноюпозитивною рисою амплітудних кутових дискримінантів є простота їхньої технічноїреалізації. Недоліком є необхідність виконання вимог суворої ідентичностісумарного і різницевого каналів щодо коефіцієнтів підсилення і точності логарифмування.Ці недоліки не є принциповими, вони усуваються уведенням спеціальних засобівстабілізації підсилення каналів за каліброваними пілот-сигналами.
Нацей час амплітудні кутові дискримінанти використовуються в моноімпульснихвторинних оглядових радіолокаторах SIR-M фірми Alenia, SIR-S фірми AleniaMarconi System і радіолокаторах типу Condor (Condor, Condor 2, Condor S) фірмиCossor Electronics Limitеd компанії Raytheon.