Лукашук О. В., Колосова Ю. В., Усіченко А. В. ВАТ «АТ Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань» Харків, Україна e-mail: common (8) _niiri. kharkov. сот

Анотація У доповіді представлені кілька принципів побудови дешевих антенних систем без опорноповоротних пристроїв (ОПУ), які можуть бути використані в якості антени кругового огляду протилітакової захисту та управління повітряним рухом, які так необхідні сьогодні через зростаючої кількості авіакатастроф.

I. Вступ

З кожним роком зростає кількість радіотехнічних систем (РТС) різного призначення, у яких основним з важливих елементів є антенна система. Як правило антенна система з хорошою спрямованістю має ОПУ, які є споживачами енергії, вимагають великих експлуатаційних витрат і часто обмежують пошукові можливості в цілому. Що з’явилася спроба замінити антени з ОПУ фазованими гратами не знайшла широкого застосування через виключно високу вартість.

У роботі зроблено спробу розробити принципи побудови антенних систем (АС) без ОПУ невеликій вартості, особливо якщо антена призначена для кругового огляду, наприклад, в системах ППО, РТВ та управління повітряним рухом, що особливо важливо в даний час у зв’язку зі зростаючою кількістю катастроф.

II. Основна частина

Система організації повітряного руху є одним з найважливіших механізмів, що забезпечують стійку й надійну роботу авіації держав. Тому для забезпечення безпеки польотів необхідно не тільки строго дотримувати всі нормативи і правила, що вимагає новітніх способів управління повітряним рухом з використанням новітніх пристроїв УВС, що працюють в будь-яких кліматичних умовах. Одним з таких елементів є антенна система.

Одним з основних принципів побудови антенної системи для РЛС кругового огляду без ОПУ є принцип побудови такої антеною решітки, у якої за рахунок використання спеціальної конструкції антенного комутатора виходів елементів антеною решітки до блоку постійних фазовращателей, що забезпечують стрибкоподібне сканування діаграми спрямованості кільцевої решітки в усьому азимутному секторі без значних провалів і без зростання рівня бокового випромінювання при рівномірному амплітудно розподілі порушення антенних елементів (АЕ) на апертурі антени. Це забезпечується тим, що в кільцевій антеною решітці для РЛС кругового огляду міститься кільце симетричних ідентичних АЕ, з’єднаних лініями передачі однакової довжини і постійні фазообертачі.

До складу антени додатково включений антенний комутатор періодичного перемикання виходів фідерних ліній АЕ до постійних фазовращателя в порядку зростання номерів АЕ, кожен постійний фазовращатель має по одному виходу і по чотири входи, які в початковому стані пов’язані з АЕ з номерами n = m, n = m +1, n = N / 2 +3- m, n = N / 2 +2- m для фазовращателя з номером m до останнього фазовращателя з номером m = N / 4 +1, який в початковому стані пов’язаний з АЕ з номерами n = N / 4 +1, n = N / 4 +2, а виходи всіх фазовращателей паралельно пов’язані з приймачем (або передавачем) РЛС. При цьому круговий огляд простору здійснюють шляхом періодичного стрибкоподібного сканування діаграми спрямованості антенної решітки в усьому азимутному секторі шляхом періодичного перемикання АЕ до постійних фазовращателя в порядку зростання номерів АЕ. У кожному положенні стрибкоподібного сканування використано N / 2 +2 АЕ з N АЕ антени. Використання в даній приемопередающей антені антенного комутатора даної конструкції і N / 4 +1 постійних фазовращателей дозволяє забезпечити періодичний стрибкоподібний огляд по азимуту в усьому азимутному секторі без значних провалів і без використання складних аналогових або цифрових керованих фазовращателей. Якщо супровід літального апарату реалізується моноімпульсним методом, то антенний комутатор і постійні фазообертачі представляють діаграммообразующую схему, яка формує два промені, зміщених по азимуту на половину ширини одного променя. При підсумовуванні сигналів цих променів отримуємо один промінь, з низьким рівнем бокового випромінювання. Тобто бічні пелюстки одного променя пригнічують бічні пелюстки іншого, а сигнал головних пелюсток підсумовується. Технічна сутність цієї конструкції пояснюється рис.1. На рис. 1 представлений ескіз запропонованої кільцевої антенної решітки з АЕ у вигляді вібраторів і спрощена структурна схема антенного комутатора.

До складу конструкції входять такі основні елементи: вертикальні симетричні АЕ 1 кільцевої антенної решітки; двохпровідні фідерні лінії 2; антенний комутатор 3 періодичного перемикання АЕ решітки до постійних фазовращателя; постійні фазообертачі 4; перемикачі 5 виходів фідерних ліній АЕ до постійних фазовращателя (кожна фідерна лінія має по два паралельних виходу, поряд з якими вказаний номер відповідного АЕ).

Якщо необхідно розробляти антенну систему з коефіцієнтом посилення в кілька разів перевищує коефіцієнт посилення одиночних систем, то кількість АЕ і радіус кільцевої решітки зростають. При цьому кількість АЕ може бути не велике, комутатор простий, а стрибок діаграми спрямованості не перевершує половину своєї ширину.

Таким чином пропоновану антенну решітку можна використовувати:

-Для прийому телеметричної інформації надходить з борту ЛА;

– Для управління бортовою апаратурою КА (наприклад, КІС “Калина”) і в інших випадках.

Зовнішній вигляд даної антеною решітки представлений на рис. 2, де d відстань між фазовими центрами антенних елементів в горизонтальній площині; h відстань між фазовими центрами антенних елементів у вертикальній площині.

III. Висновок

Таким чином в ході розгляду принципів побудови антенних систем без опорно-поворотного пристрою можна зробити наступні висновки:

– Кільцеву антенну решітку доцільно використовувати в тих випадках, коли потрібна підвищена точність визначення азимутальної координати, для збільшення точності визначення угломестной координати доцільно використовувати декілька кілець

– Вартість кільцевої пропонованої решітки не на багато перевищує вартості антен з однаковими характеристиками випромінювання, якщо ж враховувати довгострокові витрати на експлуатацію ОПУ, витрати енергії, мастильних та інших матеріалів, то вартість кільцевої решітки в кілька разів нижче існуючих антен кругового огляду з ОПУ.

IV. Список літератури

[1] Основи проектування антенних пристроїв. 4. 1. Під

редакцією А. В. РуноваМінск: 1970. 544 с.

[2] Антенні решітки. Під редакцією Бененсон 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

Плоскі спіральні випромінюють елементи Planar spiral radiating elements

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.