Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние и направления развития информационно-управляющих систем ДКМ радиосвязью 12
1.1 Обзор существующих информационно-управляющих систем и их назначения 12
1.2 Анализ характеристик антенных устройств, применяемых в существующих информационно-управляющих системах ДКМ диапазона 16
1.3 Анализ научно-технических решений в коротковолновых кольцевых антенных решетках 21
1.4 Постановка задачи исследования 28
Глава 2. Разработка и исследование КФАР, как элемента информационно-управляющей системы 31
2.1 Структурная модель передающей КФАР информационно управляющей системы 31
2.2 Математическая модель характеристик излучения КФАР информационно-управляющей системы 36
2.2.1 Математическая модель топологии КФАР информационно-управляющей системы 36
2.2.2 Математическая модель элемента КФАР информационно-управляющей системы 43
2.2.3 Математические модели входных характеристик элементов КФАР информационно-управляющей системы 51
2.3 Исследования КФАР информационно-управляющей системы с различным количеством элементов
2.4 Синтез ДН передающей КФАР информационно управляющей системы с учетом взаимного влияния элементов 65
2.5 Исследование статистических характеристик погрешности и устойчивости информационно-управляющей системы цифровым СУ в составе КФАР 70
2.5.1 Синтез структурной схемы СУ 70
2.5.2 Корреляционная функция погрешности 76
2.5.3 Дисперсия погрешности 83
Выводы 91
Глава 3. Алгоритмическое обеспечение информационно управляющей системы передающей КФАР 93
3.1 Алгоритм управления ДН передающей КФАР информа ционно-управляющей системы 93
3.2 Алгоритм расчета параметров СУ КФАР при управлении ДН информационно-управляющей системы 97
3.3 Алгоритм подавления бокового излучения в КФАР информационно-управляющей системы 106
3.4 Особенности функционирование ИУС с КФАР в условиях негативных внешних воздействий 111
3.4.1 Обрыв нескольких проводов в трех произвольно выбранных излучателях 113
3.4.2 Обрыв коаксиального фидера, питающего излучатель 114
3.4.3 Механическое разрушение нескольких произвольно взятых излучателей 115
3.5 Алгоритм восстановления ИУС с КФАР после частичного разрушения 117
3.6 Разработка структурной схемы информационно управляющей системы радиостанцией с передающей КФАР 122
Выводы 124
Глава 4. Экспериментальные исследования информационно управляющей системы с разработанным макетом КФАР 126
4.1 Экспериментальные исследования макета элемента КФАР
информационно-управляющей системы 126
4.2 Экспериментальные исследования ИУС макета КФАР 129
4.3 Результаты эксперимента и их анализ 131
Выводы 135
Заключение 136
Перечень литературы
- Анализ характеристик антенных устройств, применяемых в существующих информационно-управляющих системах ДКМ диапазона
- Математическая модель топологии КФАР информационно-управляющей системы
- Алгоритм расчета параметров СУ КФАР при управлении ДН информационно-управляющей системы
- Механическое разрушение нескольких произвольно взятых излучателей
Анализ характеристик антенных устройств, применяемых в существующих информационно-управляющих системах ДКМ диапазона
Как было отмечено выше в существующих стационарных (ИУС комплексом Р - 165) и мобильных (ИУС комплексов Р - 161, Р - 166, Р - 168) информационно-управляющих системах радиостанциями декаметрового диапазона увеличение информационной емкости системы связи осуществляется методом частотно-временного разделения каналов. При современных требованиях к информационно-управляющим системам декаметровой радиосвязью необходимо обеспечивать работу с корреспондентами находящимися в различных направлениях. Данная проблема не может быть решена без разработки информационно-управляющих систем с кольцевыми фазированными антенными решетками, которые кроме обеспечения режима круговой радиосвязи позволяют существенной увеличить информационную емкость системы за счет пространственного разделения каналов. Кроме этого применение информационно-управляющих систем с кольцевыми фазированными антенными решетками позволяют существенно повысить энергетический потенциал радиолинии, увеличить дальность радиосвязи, улучшить электромагнитную совместимость (ЭМС), повысить помехозащищенность системы.
Кольцевые фазированные антенные решетки декаметрового диапазона должны иметь требуемые значения коэффициента усиления в заданном диапазоне частот и в любом направлении на корреспондента. Для передающих КФАР формирование и управление ДН будет сопряжено со следующими обстоятельствами: - небольшим количеством элементов (4 - 16); - сканированием ДН в пределах 0-360 в азимутальной плоскости; - учетом взаимного влияния элементов; - десятикратным коэффициентом перекрытия по частоте.
В предыдущих работах авторов занимающихся проблемами исследования характеристик фазированных антенных решеток были решены задачи синтеза пеленгаторных, радоилокационных и приемных решеток радиосвязи. Синтезу передающих кольцевых фазированных антенных решеток и исследованию их характеристик, позволяющих осуществлять эффективное излечение, в существующей литературе не уделено должного внимания. К наименее исследованным направлениям разработки ИУС КФАР декаметрового диапазона следует отнести: - выбор схемы размещения элементов (однокольцевая, многокольцевая, дуговая решетка); - обоснование выбора количества элементов и радиуса КАР, исходя из заданного коэффициента усиления; - создание диаграммообразующей схемы (ДОС), включающей в себя делитель мощности, фазовращатели и антенно-согласующие устройства; - обоснование выбора типа элемента КАР, расчет его характеристик и параметров; - контроль входных характеристик элементов КФАР; - синтез ДН передающей КФАР с учетом взаимного влияния элементов; - разработка алгоритма ИУС по управлению ДН; - разработка алгоритма ИУС по подавлению бокового излучения; - разработка и исследование алгоритма ИУС по взаимодействию фазовращателей и антенно-согласующих устройств, включаемых в тракт питания элемента КАР; - исследование состояния КАР и разработка алгоритма ИУС по функцио нированию в условиях частичного разрушения.
В связи с вышеприведенными обстоятельствами в диссертации подлежат исследованию следующие задачи: - разработка структурной модели передающей кольцевой фазированной антенной решетки декаметрового диапазона; - разработка метода подавления бокового излучения в ДН передающей кольцевой фазированной антенной решетки; - разработка метода восстановления функционирования кольцевой фазированной антенной решетки при частичном разрушении ее элементов; - разработка информационно-управляющую систему передающей кольцевой фазированной антенной решеткой декаметрового диапазона; - на экспериментальном макете информационно-управляющей системы с кольцевой фазированной антенной решеткой подтвердить адекватность теоретических исследований.
Математическая модель топологии КФАР информационно-управляющей системы
Функционирование ИМ с каждым излучающим элементом КФАР и снятие необходимой измерительной информации производится последовательно во времени. Технически это реализовано применением мультиплексора, выполняющего функции коммутатора. Микроконтроллер вырабатывает коды управления согласующими устройствами элементов КФАР. Устройство управления (УУ) выдает сигналы, изменяющие параметры согласующего устройства. Целесообразно в качестве алгоритма настройки применить вычислительно — поисковую процедуру, минимизирующую величину рассогласования. Согла -56 сующее устройство производит настройку путем дискретного изменения параметров реактивностей, коммутируемых вакуумными реле.
В процессе функционирования КФАР целесообразно в каждом канале питания иметь систему автоматического регулирования амплитуд и фаз (АРАФ) токов [57]. В такой системе наиболее важным устройством является многоканальный измеритель амплитуды и фазы тока, текущего по каждому элементу КФАР [58].
В этом случае необходимо установить соответствие между значением тока на входных зажимах излучателя и напряжением его питания в условиях априорной неопределенности комплексного значения входного сопротивления. Так как этот параметр излучателя неизвестен, то необходим датчик, выходной сигнал которого содержал бы необходимую информацию.
Связь полных напряжений на входных зажимах излучателей и токов в них можно записать в матричном виде с помощью следующего выражения: U=ZI, (27) где Z - матрица входных сопротивлений излучателей. Оценку комплексного значения входного сопротивления излучателя, а, следовательно, и тока в нем, молено получить по значениям напряжения ПОВ. Для включения в основной тракт питания в качестве датчика можно применить только датчик ПОВ, с выхода которого получаем комплексные значения напряжения падающей и отраженной волн.
Используя телеграфные уравнения, описывающие волновые процессы в любой длинной линии [59], получаем значение тока на входных зажимах излучателя: \ йл 1-і? Г,= х- , (28) У 1 + р II KJ отр где W - волновое сопротивление фидера, Р — — - комплексный коэффици U над ент отражения. (29) Таким образом, имея датчик ПОВ и производя вычисления по выше приведенным выражениям, можно найти значение тока. Напряжение на входных зажимах известно и его можно регулировать при условии, что излучающий элемент сопряжен с оконечным усилителем мощности (КФАР является активной). Если в радиостанции один передатчик и питание излучателей КФАР производится фидерной схемой, то в расчетную формулу необходимо включить значение напряжения на входе фидера данного канала —UBX. г \ 1л = вх W X UBX 1 - / + р X cos(p\L) + i— sin(pL) 1 + р (30) где J3 - коэффициент фазы в фидере, L - длина соединительного фидера. При такой схеме построения КФАР делитель мощности должен быть регулируемым. Структурная схема многоканального измерителя представлена на рис. 2.14. W КФАР N Измеритель ПОВ-1 От передатчика ч Измеритель ПОВ-N ±±± Мульти п л ек с ор ЕГ СМ Г АЦП Цифровой ФД МикроЭВМ Сигналы _ управления - амплитудой и фазой токов Заданные величины токов
Каждый датчик ПОВ содержит амплитудные детекторы, поэтому с его выхода снимаются как амплитудные, так и фазовые величины напряжения падающей и отраженной волн. Амплитудные значения преобразуются в цифровой формат с помощью АЦП. Фазовый сдвиг между напряжениями падающей и отраженной волн и его знак определяются цифровым фазовым детектором. Предварительно напряжения с помощью смесителя и гетеродина переводятся на промежуточную частоту. Это упрощает схему фазометра и повышает точность измерения фазы. Мультиплексор подключает последовательно во времени датчики ПОВ к устройству обработки измерительной информации. Микро-ЭВМ производит сравнение заданных значений токов в элементах КФАР с измеренными (рассчитанными с помощью выражений 28 или 30). Выработанные сигналы управления воздействуют на устройства изменения амплитуды или фазы в данном канале питания элемента.
В целях исследования характеристик КФАР проведено численное моделирование с применением программного продукта MathCAD, а также современной специализированной программы моделирования антенн - MMANA.
Необходимо решить задачу выбора радиуса (диаметра), количества элементов их расположения по окружности. Ограничивающим фактором является конструктивное исполнение КФАР, которая должна обеспечивать заданные характеристики радиостанции. Напряженность электрического поля, а, следовательно, и ДН является результатом интерференции полей, излучаемых каждым элементом КФАР. Для однокольцевой КФАР расчет ДН проводился по следующим выражениям: N F(A,p) = 2 i„(A,0 ) х К х exp {- i[if/n - /3R cos A cos( ? - ?„)]} (31) где N - число излучателей в решетке, Е1п — напряженность поля, создаваемого п -ым излучателем при единичном токе в нем, -I „ — амплитуда тока в п
Алгоритм расчета параметров СУ КФАР при управлении ДН информационно-управляющей системы
Для цифровой системы автоматического управления описываемой уравнением с пятнадцатью случайными независимыми переменными, оценим степень влияния погрешностей на выходе ЦВУ, погрешностей разрядов органов настройки УСА и взаимных межэлементных связей в КФАР на статистические характеристики погрешностей всей цифровой системы.
На практике измерение фазы коэффициента отражения производится на второй промежуточной частоте 3 кГц. Тактовая частота измерителя 1МГц. Следовательно, порог квантования по фазе q9 = 0.003, погрешность измерителя фасу зы — =0.0015. Это обеспечивается при десятиразрядной сетке измерителя фазы. Девятиразрядная сетка измерителя модуля коэффициента отражения обеспечивает максимальный порог квантования модуля коэффициента отражения равный qp = — = 0,001953 и погрешность квантования —- = 0.000976.
Относительная погрешность выполнения дискретных органов настройки KL и кс реальных УСА достигает величин 0.1 - 0.15. На таком же уровне и более находятся величины коэффициентов связи между элементами КФАР. Сле довательно, эти случайные величины помех и будут определять качественные характеристики автоматизированной цифровой системы регулирования.
Электрическая схема исследуемого устройства согласования антенн показана на рис.2.31. к антенне L к вых усилителя 2 с Принятые обозначения: L - катушка переменной индуктивности; С - конденсатор переменной емкости. Органы настройки данного УСА (переменная индуктивность L и переменный конденсатор С) имеют дискретный характер и могут перестраиваться как электромеханическим, так и электронным способом. Их величины выражаются п - разрядным двоичным кодом.
Реальная величина каждого разряда в диапазоне рабочих частот имеет некоторое отклонение от расчетной двоичной величины, обусловленное паразитными индуктивностями и емкостями конденсатора и катушки индуктивности. Эти отклонения в общем случае носят недетерминированный, случайный характер и могут быть рассмотрены в качестве случайных помех, действующих на объект управления (УСА). В таком случае передаточная функция УСА по помехам равна 1, а процесс регулирования в системе автонастройки с учетом помех, обусловленных случайными взаимными связями между элементами КФАР, описывается уравнением, аналогичным уравнению (48):
Исследование функции (49) и статистических характеристик данной цифровой системы целесообразнее всего проводить методом двумерного z - преобразования. Для функции (49): двумерное преобразование по Лапласу равно SS, - импульсная дискретная функция равна 1: ZZ, двумерное z - преобразование равно (z-lX ,-!) Примем обозначения: xCL(t) - стационарная случайная функция изменения величин С и L во времени; H(s) - передаточная функция непрерывной (желаемой) системы; -76-h(t) - соответствующая ей импульсная переходная функция; G (z,y) - общая передаточная функция цифровой системы управления; g[(n + у)Г] - соответствующая ей импульсная переходная функция; G (z,y) -передаточная функция дискретного кольца управления по С; с Кп + У)Т\ - соответствующая ей импульсная переходная функция; P\z,y)T - передаточная функция дискретного кольца управления по L; / [(т7 + у)Г] - соответствующая ей импульсная переходная функция; G (z, у) - передаточная функция помехи от первого элемента; gl [(/? + у)Т] - соответствующая ей импульсная переходная функция; G2 (z,y) - передаточная функция помехи от второго элемента; gi\(n + у)Т] -соответствующая ей импульсная переходная функция; G (z, у) - передаточная функция помехи от одиннадцатого элемента; gu[(n + у)Т] -соответствующая ей импульсная переходная функция; у - параметр запаздывания.
Величина уд (0 на выходе соответствующей дискретной системы с учетом ошибок от квантования значений С и L по уровню определяется уравнени ем: Уд !) = tg« - mT)x[mT - 0] + ±gc(t тТ)гцс [тТ - о] + m 0 m О + ±P(t-mT)sqi[mT-0]. (51) m=0 Ошибка, обусловленная дискретным характером системы: -77 т = Уд(0-УМ (52) является случайной функцией времени, статистические характеристики которой - корреляционная функция и дисперсия будут определены ниже.
В дальнейшем будем рассматривать дискретное время t = (п + у)Т, пользуясь иногда для краткости записи также левой частью указанного равенства. В нашем случае входное воздействие xCL(t) имеет равное нулю математическое ожидание, т.к. отклонения от расчетных величин С и L могут быть как в большую, так и в меньшую стороны. Корреляционная функция ошибки s(t) на основании ее определения и равенства (52) равна: / -є(/ 1)=/{є(Оє(?1}=Яд(?,/1)-Еяд(ґ 1)-да(/,А) + я(ґ,/1) (53) где Ед(1,Іх)= і{уд{1)уд{іх )}, EwdJj = /{улСО дС,)}» В выражении (53) первый член определяет корреляционную функцию выходной переменной дискретной системы, а последний - корреляционную функцию выходной переменной желаемой непрерывной системы; второй и третий члены - взаимные корреляционные функции выходных переменных указанных систем.
Задача решается по методике работы [70] в следующей последовательности: найдем выражения указанных корреляционных функций с помощью уравнений (50) и (51), осуществляя далее переход к двумерным изображениям и найдем соответствующие этим изображениям оригиналы.
Механическое разрушение нескольких произвольно взятых излучателей
Для оценки влияния величины дискрета на форму ДН и точность установки ее максимума проведены исследования [74].
При численном моделировании ДН были использованы выше приведенные исходные данные по конструкции КФАР, а также данные о фазовом распределении, как при точном, так и при различных дискретных значениях. Получены ДН, соответствующие значениям требуемых и дискретных фаз. Результаты исследований показывают, что для реализации сканирования ДН достаточно задать дискрет фазы в 22,5 (4-х разрядный фазовращатель). На рис.3.2 представлены ДН, одна из которых является рассчитанной по фазам, приведен -96 ным во втором столбце таблицы, а вторая - с учетом выбранного дискрета в 22,5 .
Выравнивание фазового фронта ЭМВ и управление им в пространстве выполняется за счет фазовращателей (ФВ), включаемых в каждый тракт питания элемента. К фазовращателям предъявляются следующие требования: - минимальное время переключения (изменение фазового состояния) при возможно меньшей мощности управляющего сигнала; - достаточная точность установки фазового сдвига, необходимая для выполнения требований к диаграмме направленности (ДН) по КНД, уровню боковых лепестков (УБЛ), точности ориентации главного максимума; - электрическая прочность должна быть достаточной для пропускания требуемой мощности; - широкополосность; - минимальные габариты ФВ, минимальные потери ВЧ - энергии.
Конструктивная реализация ФВ представляет собой сложную инженерную задачу, так как известны конструкции таких устройств только в диапазоне СВЧ [37]. Ферритовые фазовращатели в декаметровом диапазоне требуют применения весьма мощных и громоздких управляющих магнитных систем. По -97 этому фазовращатель целесообразно выполнять на основе коммутируемых отрезков линии передачи (дискретного типа). При этом в качестве среды распространения необходимо выбирать диэлектрик с большим значением относительной диэлектрической проницаемости и малым тангенсом угла потерь. В качестве коммутатора отрезков линий передачи могут быть применены p — i — n диоды или вакуумные выключатели [75].
Таким образом, особенности сканирования ДН, выявленные в результате исследований 12-ти элементной КФАР, будут заключаться в следующем: - изменение углового положения максимума ДН на угол больший 30 осуществляется коммутационным методом (путем изменения в расчетах поряд кового номера элемента, отсчитываемого от выбранной системы координат); - изменение углового положения максимума ДН на угол меньший 30 осуществляется фазовым методом; - сканирование необходимо осуществлять с применением дискретных фазовращателей, так как это упрощает схему управления ими и обеспечивает сопряжение с ЭВМ; - в диапазоне частот 3-30 МГц 4-х разрядный фазовращатель реализуется 8-ми разрядным бинарным выбором электрической длины. Это позволит с небольшой погрешностью реализовывать требуемый дискрет фазы на любой заданной частоте; - величина углового смещения ДН будет зависеть от ширины главного лепестка ДН (обеспечивая при сканировании взаимное перекрытие); - на нижних частотах (до 16 МГц) для перекрытия сектора 30 достаточно два изменения положения максимума ДН (10 и 20), а на более высоких три (5, 15, 25).
Для настройки фидерного тракта, ведущего к каждому излучателю, потребуется изменение параметров, как ФВ, так и СУ. Импеданс каждого излуча -98 теля КФАР будет зависеть как от частоты, так и от распределения фаз токов по вибраторам (направления ДН).
Фидерный тракт передающей КФАР, в зависимости от использования в радиостанции одного или нескольких передатчиков (активные излучатели), имеет свои отличия (рис. 3.3 и рис. 3.4).
В качестве исходных данных задается: частота и направление главного лепестка ДН. Блок управления (БУ) перестраивает передатчик (ПрД) на нужную частоту, выдает код фазы на фазовращатели с учетом рассчитанного фазо -99 вого сдвига СУ и дискретно перестраивает элементы обратного Г - контура. При использовании активной КФАР перед началом работы БУ учитывает амплитуду и фазовый сдвиг сигнала на выходе каждого передатчика.
В обеих схемах построения КФАР обязательными модулями являются фазовращатели и СУ, включаемые в каждый канал питания излучателей. Взаимодействие этих устройств в процессе функционирования КФАР представляет собой комплекс научно-технических проблем, так как подстройка СУ одновременно изменяет режим фазирования и взаимное влияние излучателей. Вследствие этого, применение независимого автоматического управления для каждого из этих устройств, приводит к их непрерывной циклической перестройке. Поэтому возникает необходимость в разработке алгоритма оптимального управления процессом настройки согласующих устройств и регулировки фаз сигналов [76].
Наиболее приемлемым алгоритмом совместной настройки элементов КФАР является вычислительный алгоритм, который заключается в предварительном измерении входных характеристик элементов КФАР и последующей настройке параметров СУ и ФВ каждого канала. При этом необходимо в конечном значении фазы тока в излучателе учесть фазовый сдвиг сигнала в СУ и соответственно на это значение откорректировать установку фазы фазовращателем:
Величины органов настройки СУ должны быть определены для каждой рабочей частоты и направления ДН, в соответствии с измеренными входными импедансами излучателей. Для реализации данного алгоритма управления необходимо оценить пределы изменения параметров этих устройств при подска-нировании ДН.
Для этого проведем моделирование КФАР с определением импедансов излучателей на частоте 20 МГц при отклонении ДН, обеспечивающей фазовое подсканирование. На рис. 3.5 и 3.6 изображено изменение активной и реактивной составляющей импедансов излучателей.
