О Турабі - Антенні системи станцій радіоконтролю - страница 1

Страницы:
1  2  3 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Осама Турабі

УДК 621.396.674(043.3) АНТЕННІ СИСТЕМИ СТАНЦІЙ РАДІИОКОНТРОЛЮ

Спеціальність 05.12.17 - Радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2012

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті, Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

заслужений діяч науки і техніки України Ільницький Людвіг Якович, професор кафедри електродинаміки Національного авіаційного університету

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки

Яновський Фелікс Йосипович,

завідувач кафедри радіоелектроніки Національного авіаційного університету

кандидат технічних наук, професор Пілінский Володимир Володимирович,

професор кафедри звукотехніки та реєстрації інформації НТУУ «КПІ»

Захист відбудеться „_"_2012 р. о _ _ годині на засіданні спеціалізо­ваної вченої ради Д 26.062.08 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, Україна, м.Київ, пр-т Космонавта Комарова, 1, НАУ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НАУ за адресою: 03058, Україна, м.Київ, пр-т Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий „____     " ________2012 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

В. М. Шутко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для вирішення задач щодо забезпечення елект­ромагнітної сумісності радіотехнічних засобів, при радіоконтролі викори­стання частотного спектра, при введенні в експлуатацію нових радіоелек­тронних систем та в ряді інших випадків необхідно знати з більшою чи меншою точністю показники електромагнітної обстановки у визначених областях простору. До таких показників відносяться напруженості елект­ричного та магнітного полів, їх зміни у задані проміжки часу, орієнтації векторів напруженостей у просторі, щільність потоку потужності та деякі частотні характеристики електромагнітних випромінювань.

Перераховані показники дозволяють для кожної частоти, яка присво­юється якій-небудь радіоелектронній системі, з достатньою повнотою оцінити як вплив електромагнітної обстановки на функціонування систе­ми, так і характер використання радіочастотного спектра. Крім того, такі вимірювання необхідні при дослідженні процесів розповсюдження радіо­хвиль.

Очевидно, що в тих діапазонах, де щільність радіовипромінювання висока і має місце повторне використання частот, можливі ситуації, при яких поряд з корисним сигналом на тій же частоті будуть з'являтися зава­ди. Джерелами таких завад можуть бути як стаціонарні пристрої, так і мобільні передавачі. Положення джерел завад і момент початку їх функ­ціонування практично передбачити неможливо. Все це ускладнює прове­дення радіоконтролю і може призвести до викривлення оцінок тих чи ін­ших показників. Виходячи з цього виникає необхідність в створенні таких антен, за допомогою яких можливо було б впевнено виділити необхідний радіосигнал з сукупності сигнал плюс завада на одній й тій же частоті.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота вико­нана в рамках НДР 299-ДБ06 "Моделювання та дослідження проблем еле­ктромагнітної сумісності радіоелектронних систем, розташованих на об­меженій території" - № ДР 0106U004130.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є теоретичне обґрун­тування і розробка антенної системи для станцій радіоконтроля.

Відповідно до мети досліджень в дисертації передбачено розгляд на­ступних задач:

- проведення аналізу існуючих технічних засобів і обладнання стан­цій радіомоніторингу, включаючи антенні системи;

- розробка антенної системи колового обзору з адаптацією до поля­ризації хвилі, що приймається;

- розробка двоелементної адаптивної антени та приймально-передавальної антени з адаптивною поляризацією;

- розробка автоматичного вимірювального комплексу для дослі­дження електромагнітного поля;

- аналіз похибок вимірювання напруженості поля, параметрів поля­ризації та напрямку надходження хвилі при використанні самонастроюва-льних антенних систем та автоматичного вимірювального комплексу.

Об'єкт досліджень: процес вимірювання параметрів поля. Предмет досліджень: методи та засоби вимірювання параметрів по­ля.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач були вико­ристані положення теорії електромагнітного поля та вимірювальних сис­тем, методи аналізу точності інформаційно-вимірювальних систем, а та­кож методи математичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Розроблені принципи автоматизації процесу вимірювання напруже­ності електромагнітного поля, які забезпечують вимірювання без втру­чання оператора, з підвищенням швидкості та точності вимірювання, що досягається розробленими в даній дисертації структурними схемами ан­тени колового обзору з адаптацією до поляризації хвилі, двоелементної адаптивної антени, приймально-передавальної самонастроювальної анте­ни з адаптивною поляризацією та автоматичного вимірювального компле­ксу для дослідження електромагнітного поля.

2. Виведені основні співвідношення для аналізу похибок вимірювання напруженості поля сигналу і визначення напрямку приходу хвилі для роз­роблених структурних схем антен та автоматичного вимірювального ком­плексу.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці ан­тенних систем, які можуть використовуватися при вирішенні широкого кола науково-технічних задач. Наприклад, забезпечення електромагнітної сумісності радіоелектронних засобів, для радіоконтролю, при сертифікації антенних систем і т. д.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є результатом роботи у співавторстві і за безпосередньою участю здобувача. У статтях [1-3] описані розроблені структурні схеми неспрямованої антени з обер­товою поляризацією, приймально-передавальної самонастроювальної ан­тени і автоматизованого вимірювального комплексу для дослідження еле­ктромагнітного. На схеми приймально-передавальної антени і автомати­зованого вимірювального комплексу були отримані двадцятирічні патенти на винахід [5,6]. В статті [4] описані основні співвідношення для розраху­нку похибки визначення напрямку приходу завади двоелементною адап­тивною антеною, за допомогою яких можна проводити аналіз роботи ан­тени.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались і обговорювались на міжнародній конференції «Сучасні проблеми радіое­лектроніки, телекомунікацій, комп'ютерної інженерії TCSET'2006» (Славське, 2006), на міжнародній науково-технічній конференції „Авіа-2006" (Київ, 2006), на міжнародній молодіжній науково-технічній конфе­ренції студентів, аспірантів та вчених «Молодежь и современные пробле­мы радиотехники РТ-2006» (Севастополь, 2006).

Публікації. Результати наукових досліджень автора опубліковані в 4 статтях фахових збірників наукових праць [1-4], визначених ВАК Украї­ни, в патентах на винахід [5, 6], крім того результати додатково відобра­жені в збірках конференцій [7-9].

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із всту­пу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додат­ків. Загальний обсяг роботи складає 116 сторінок основного змісту, в тому числі 30 рисунків та 1 таблиці, список використаних джерел з 64 на­йменувань та додатки на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність проблеми вимірювання пара­метрів електромагнітного поля, сформульовані мета і основні задачі дос­лідження, його наукова новизна і практична значимість.

У першому розділі - „Задачі станцій радіоконтролю" - розглянуто основні цілі та задачі систем радіоконтролю; наведені вимоги щодо рівнів випромінювання електромагнітного поля (ЕМП) та технічні вимоги до систем радіомоніторинга; аналізуються існуючі засоби та обладнання ста­нцій радіомоніторинга.

Постійне зростання інтенсивності використання радіочастотного спе­ктра і його перенавантаження завжди супроводжувалися необхідністю вирішення дуже гострих проблем позбавлення взаємних завад між радіое­лектронними засобами (РЕЗ). Це вимагало розробки процедур проведення міжнародної координації всіх систем зв' язку, прийняття міжнародних стандартів на параметри засобів зв'язку, розробки методів контролю дію­чих систем та методів частотного планування радіозв' язку.

Радіоконтроль являється частиною державної системи управління ви­користанням радіочастотного спектра. Він здійснюється за допомогою спеціальної радіочастотної служби. Задача радіоконтроля - забезпечення загального процесу керування використанням радіочастотного спектра івирішення проблем, які пов'язані із забезпеченням електромагнітної сумі­сності РЕЗ.

Існує низка міжнародних та державних стандартів, які регламентують необхідні норми ЕМС приладів і методи контролю за нею. Ці стандарти діють не лише для засобів промислового призначення, а й для побутових, медичних та наукових приладів.

У даному розділі розглянуто призначення, функції та технічні вимоги до систем радіомоніторингу, а також основні принципи побудови станцій радіомоніторингу. В розділі розглянуто структуру сучасних станцій ра­діоконтролю та антенні системи, що використовуються для роботи на цих станціях.

В результаті всебічного аналізу станцій радіоконтролю було зроблено висновок, що для підвищення ефективності станцій радіоконтролю необ­хідно розробити прості в конструктивному відношенні, малогабаритні антенні системи, які були б адаптовані до поляризації прийнятих радіох­виль та адаптувалися до електромагнітної обстановки.

Другий розділ - „Ненапрямлені і слабонапрямлені антени з адаптаці­єю до поляризації електромагнітного поля" - присвячений вибору схеми антени кругового огляду з адаптацією до поляризації хвилі, що прийма­ється, та аналізу похибок, які виникають у процесі її роботи.

Кругова поляризація підвищує надійність зв'язку з мобільними об'єк­тами та дає можливість ущільнювати радіолінію, яка працює на одній до­вжині хвилі, двома каналами з протилежним напрямком обертання векто­рів напруженості поля. У деяких випадках, наприклад, при радіомоніто-рингу електромагнітної обстановки необхідно мати антену з круговою або еліптичної поляризацією, яка була б ненаправленої в горизонтальній пло­щині. Така антена не тільки забезпечує всеспрямований прийом в горизо­нтально площині, а й забезпечує достатній рівень прийнятого сигналу лінійної та кругової поляризації.

Антена системи радіомоніторингу повинна самонастроюватися на по­ляризацію прийомної хвилі. В процесі дисертаційних досліджень розроб­лена схема антени кругового огляду з адаптацією до поляризації хвилі, що приймається [1, 7].

Для побудови такої антени використовуємо два елементи: один з них неспрямована антена в горизонтальній площині вертикальної поляризації А1, а другий - неспрямована антена в горизонтальній площині, але гори­зонтальної поляризації А2. По суті ця сукупність антен реалізує розкла­дання електромагнітної хвилі будь-якої заданої поляризації в лінійному ортогональному поляризаційному базисі на дві складові.

Структурна схема ненапрямленої антени з обертовою поляризацією зображена на рис. 1, де А1, А2 - елементи антени з обертовою поляриза­цією; А3 - калібрувальна антена; ПСУ1, ПСУ2 - пристрої симетрування і узгодження; ГК1, ГК2 - генератори калібрування; ПЗ - пристрій зрівно­важування; ФО1, ФО2 - фазообертачі; ПП1, ПП2 - подільники потужнос­ті; Ат - атенюатор; ВП - вимірювач потужності; К1, К2 - комутатори; ПЧ1, ПЧ2 - перетворювачі частоти; Гет - гетеродин; ПК - пристрій коре­гування; П1, П2, П3 - підсилювачі; ВФ - вимірювач фази; Д, Д1, Д2 - де­тектори.

Рис. 1 Структурна схема неспрямованої антени з обертовою поляризацією На виході антенної системи маємо

U S = aA0 E\

cos a cos b + sin a sin be

I 2

L

5 J ,

(1)де а - коефіцієнт підсилення третього підсилювача; A0 = KkAld; Kk -збалансовані коефіцієнти передачі каналів 1 і 2; Ід - діючі довжини антен;

А - постійний множник; E - комплексна амплітуда напруженості елект­ричного поля падаючої на антену хвилі; yB - фазовий зсув між складо­вими вектора напруженості при розкладанні його в ортогональному по­ляризаційному базисі; y - фазовий зсув, який набуває сигнал в каналі 2, проходячи через фазообертач ФО1, a - кутовий параметр , який визначає співвідношення амплітуд складових вектора напруженості поля (кут еліп­тичності); b - кутовий параметр, який встановлюється процесором для управління коефіцієнтами передачі підсилювачів П1 і П2.

Для підвищення достовірності інформації, яка отримується за допо­могою даної антени про характер досліджуваних випромінювань, струк­турна схема антени включає в себе коло калібрування (А3, ФО2, ПП2, Ат, ВП, ГК2).

В даному розділі був проведений аналіз похибки роботи антенної сис­теми і було виведене аналітичне співвідношення для похибки вимірюван­ня напруженості поля

8US = Sin2a Sin2b АФ2, (2) 8cos2(a-b)

де DF - похибка зрівноважування фаз.

За формулою (1) у середовищі Matcad побудовані сімейства залежнос­тей похибки dUS від похибки зрівноважування фаз АФ для різних зна­чень кутів а і Р . (рис.2 і 3).

1Ф рад Р рад

Рис. 2 Залежності похибки 5U£ Рис. 3 Залежності похибки 5U£

від похибки зрівноважування фаз АФ від кута b при заданих значеннях

для різних значень кутів похибки АФ (0,1) і

a (0; 0,785; 1,047) и b (0,785) a (0,523; 0,785; 1,57)

В третьому розділі - „Адаптивні і самонастроювальні антени" - була проведена розробка структурних схем двох антенних систем: двоелемент-ної адаптивної антени і приймально-передавальної антени з адаптивною поляризацією. Проведений аналіз похибок вимірювання напруженості поля, які виникають при роботі даних систем.

Структурна схема двоелементної адаптивної антени [8] представлена на рис. 4. У схемі використані наступні скорочення: А1, А2 - елементи антенної решітки; ПЧ1, ПЧ2 - перетворювачі частоти; Гет - гетеродин; ППЧ1, ППЧ2 - підсилювачі проміжної частоти; ППВ1 - пристрій підсу-мовування-віднімання; ПМ1, ПМ2, ПМ3 - перемножувачі; Інт1, Інт2 -інтегратори; Д - детектор; ВП - віднімаючий пристрій.

Рис. 4 Структурна схема малоелементної антенної решітки

Принцип дії антенної решітки, структурна схема якої представлена на рис. 4, пояснюється наступними рівняннями. Напруги на затискачах антенної решітки

U1 = Ід E с + Ід E з e'y= U с + U з e'y

(3)

U2 = Ід Ес + ІдЕз e -y = Uс + Uз e -y J ' де Ід - діючі довжини елементів решітки; EC - напруженість поля кори­сного сигналу; Ез - напруженість поля завади; y = (kd /2) sin 8 - фазо­вий зсув, обумовлений різницею ходу променів; UC, UЗ - комплексні амплітуди напруг сигналу та завади на затискачах антени.

Антена орієнтується так, щоб напруги сигналу UC були на виході елементів А1 і А2 у фазі.

Напруги на виходах перетворювачів частоти

Uз = KnpiUі І

U4 = KIiP2U2 J

де KПР1, КПР2 - коефіцієнти передачі перетворювачів частоти ПЧ1 и ПЧ2.

Сигнали на виходах підсилювачів проміжної частоти

U = aiK npiU і = aiK прі Uc + U3 e'y) 1 , (5)

U6 = a2KnP2U2 = a2КПР2 (UС + U3e)J '

де а1, а2 - коефіцієнти підсилення.

На виході пристрою пісумовування-віднімання сигнали записуються у вигляді

LI7 = U5 + йб = 2A(Uc + (13 cosy); U8 = U5 - U6 = i2A U3 siny, де    A = a1 K ПР1КС = а2 КПР2 КВ    (повинна   забезпечуватись рівність a1 KПР1КС = а 2КПР2 КВ ), КС - коефіцієнт передачі каналу підсумову­вання, КВ - коефіцієнт передачі каналу віднімання напруг. Після зсуву на 900 маємо напругу

U10 = 2AU3 siny. (7) На виході першого перемножувала отримуємо напругу

U 9 (t ) = M (J 6 (t )U 8 (t ) =

r 2 , (8)

= M(jCU3 coswCtcosw31siny+ U3 sinysinw3 cos(co31-y)

де M = KMa2KПР2KB , KM - коефіцієнт передачі перемножувача, coC і w3 - колові частоти напруг сигналу і завади.

На виході другого перемножувача ПМ2 отримуємо

Uii (t) = MU6 (t)Uio (t)= (9)

CU3 cos wCtcos w31 siny + U3 siny cos w3 cos(w31 -y)] Так як напруги сигналу і завади некогерентні (wC Ф w3), то на виході інтеграторів маємо

3

де Ki - коефіцієнт передачі інтеграторів.

В процесорі формується напруга керування

(із

= KiMU32sin2 y  |, (10) U13 = K'MU2 sin y cos yJ '

U Kep = bctgy = b-f^. (11)

Очевидно, що на виході третього перемножувала напруга буде дорів­нювати

= U8bctgy = bU8 U13. (12)

Після детектування отримуємо

U14 = 2AbU3 cosy. (13)

Для правильного формування напруги U14 його амплітуда в процесо­рі порівнюється з опорною напругою, яка розраховується за формулою

Uо =-JUj^ = ^K'MU3 cosy. (14)

На виходе віднімаючого пристрою виникає вихідний сигнал

= U7 - (&14 = 2AUc . (15) Очевидно, що постійний множник з виразу (15) повинен задовольняти рівність

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

О Турабі - Антенні системи станцій радіоконтролю