Квадратурный фазовый пеленгатор с использованием в качестве гетеродина сигнала с выхода одной из антенн Российский патент 2024 года по МПК G01S3/04 

Квадратурный фазовый пеленгатор предназначен для обнаружения и высокоточного измерения пеленга излучающих объектов и может быть использован в задачах радиолокации, в системах безопасности, в поисковых работах МЧС.

Известны устройства фазовой пеленгации излучающих объектов, например, патент РФ №2208808, опубл. 20.07.2003, на изобретение «Всенаправленный радиопеленгатор» и авторское свидетельство СССР №1190748, опубл. 20.09.1999, на изобретение «Фазовый пеленгатор».

Наиболее близкими к заявляемым устройству является фазовый пеленгатор, патент РФ №2365931, опубл. 27.08.2009. Известный фазовый пеленгатор содержит последовательно включенные первую приемную антенну, первый приемник, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, первый полосовой фильтр, линию задержки, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, фазовращатель на 90 град, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен со вторым выходом опорного генератора, и индикатор, последовательно включенные опорный генератор, генератор импульсов, электронный коммутатор, n входов которого соединены с n выходами приемных антенн, размещенных по окружности радиусом d с возможностью их электронного вращения вокруг первой приемной антенны, размещенной в центре окружности, и второй приемник, выход которого соединен со вторым входом первого перемножителя, последовательно подключенные к выходу первого полосового фильтра второй перемножитель, второй полосовой фильтр и третий фазовый детектор, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора, а выход подключен ко второму входу индикатора, при каждой коммутации одновременно используют две из n приемные антенны, расположенные на концах диаметра окружности, по которой они установлены, обеспечивая увеличение относительного размера измерительной базы в два раза, при этом к второму выходу электронного коммутатора последовательно подключены третий приемник, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, и третий полосовой фильтр, выход которого соединен с вторым входом второго перемножителя.

Недостатком данного устройства является то, что для получения промежуточной частоты используют гетеродин с опорным генератором, что не позволяет на входе смесителей получить сигналы одной частоты. Из описания известного устройства неясно, как обрабатываются выходные сигналы для определения пеленга.

Данный недостаток устраняется в заявляемом изобретении «Квадратурный фазовый пеленгатор».

Технической задачей заявляемого квадратурного фазового пеленгатора является возможность пеленгования источников радиосигналов в широкой полосе частот без перестройки устройства и использования существенных вычислительных ресурсов.

Поставленная задача в заявляемом квадратурном фазовом пеленгаторе, содержащем N широкополосных антенн, N широкополосных малошумящих усилителей (МШУ), две группы из N-1 выходных балансных смесителей, фазовращатель, два электронных коммутатора, соединяющих выходы N-1 балансных смесителей с входами аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера, причем выходы антенн 2…N через МШУ 2…N соединены с радиочастотными (РЧ) входами обеих групп балансных смесителей 1…N-1, решается за счет того, что для получения первой квадратуры выход антенны 1 через МШУ 1 соединен с гетеродинными (ГЕТ) входами первой группы 1…N-1 балансных смесителей, для получения второй квадратуры выход антенны 1 через МШУ 1 и фазовращатель соединен с ГЕТ входами второй группы 1…N-1 балансных смесителей, выходы двух групп балансных смесителей 1…N-1 соединены через электронные коммутаторы с двумя входами аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера.

Сущность заявляемого технического решения поясняется Фиг. 1-5. На Фиг. 1 приведена функциональная схема квадратурного фазового пеленгатора. Названный пеленгатор (Фиг. 1) содержит N широкополосных антенн, N широкополосных малошумящих усилителей МШУ, две группы из N-1 выходных балансных смесителей (CM 1…СМ N-1), фазовращатель на 90 градусов (ФВ на 90), два электронных коммутатора (Коммутатор 1 и Коммутатор 2), соединяющих выходы N-1 балансных смесителей с входами аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера АЦП1 и АЦП2. При этом выходы антенн 2…N через МШУ 2…N соединены с радиочастотными (РЧ) входами (РЧ входы на фиг. 1 не обозначены) обеих групп балансных смесителей 1…N-1. Для получения первой квадратуры выход антенны 1 через МШУ 1 соединен с гетеродинными (ГЕТ) входами (ГЕТ входы на фиг. 1 не обозначены) первой группы 1…N-1 балансных смесителей (CM 1…СМ N-1), для получения второй квадратуры выход антенны 1 через МШУ 1 и фазовращатель соединен с ГЕТ входами второй группы 1…N-1 балансных смесителей (CM 1…СМ N-1), выходы двух групп балансных смесителей 1…N-1 соединены через электронные коммутаторы (Коммутатор 1 и Коммутатор 2) с двумя входами аналого-цифровых преобразователей (АЦП1 и АЦ2) микроконтроллера.

Существенным достоинством данного решения является возможность пеленгования источников радиосигналов в широкой полосе частот без перестройки устройства и использования существенных вычислительных ресурсов. Это достигается тем, что для получения первой квадратуры выход антенны 1 через МШУ 1 соединен с гетеродинными (ГЕТ) входами первой группы 1..N-1 балансных смесителей, для получения второй квадратуры выход антенны 1 через МШУ 1 и фазовращатель соединен с ГЕТ входами второй группы 1..N-1 балансных смесителей, выходы двух групп балансных смесителей 1..N-1 соединены через электронные коммутаторы с двумя входами аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера. В результате сигналы на входах гетеродина и радиочастотных имеют равную частоту даже при изменении частоты входных сигналов. Для обеспечения возможности пеленгования вид сигналов на выходе смесителей должен быть подобен для разных частот и уровней сигналов на входах.

С целью проверки данного положения был изготовлен макет платы квадратурного фазового пеленгатора (Фиг. 1) с двумя антеннами. При N=2 (число антенн) коммутаторы на выходе балансных смесителей не требуются. Отметим, что все комплектующие макетной платы исключительно российского производства.

Изменение разности фаз на входе антенны 2 относительно базовой антенны 1 достигалось путем применения линий задержки, в качестве которых были использованы кабельные вставки разной длины, величина изменения фазы измерялась фазометром.

Проведен анализ подобия амплитудно-фазовой характеристики квадратурного фазового пеленгатора при разных частотах входного сигнала исследовался для обеих квадратур.

На Фиг. 2 показана амплитудно-фазовая характеристика квадратурного фазового пеленгатора, выполненного по функциональной схеме (Фиг. 1) при N=2, для первой квадратуры на частотах 1,2 и 1,3 ГГц и мощности -25 Дбм (треугольными маркерами показана частота 1,2 ГГц, квадратными маркерами показана частота 1,3 ГГц).

На Фиг. 3 показана амплитудно-фазовая характеристика квадратурного фазового пеленгатора, выполненного по функциональной схеме (Фиг. 1) при N=2, для второй квадратуры на частотах 1,2 и 1,3 ГГц и мощности -25 Дбм (треугольными маркерами показана частота 1,2 ГГц, квадратными маркерами показана частота 1,3 ГГц).

Как видно из Фиг. 2, 3 формы квадратур в зависимости от разности фаз на входах антенн для разных частот подобны. Имеет место фазовый сдвиг при изменении частоты входного сигнала.

Проведен анализ подобия амплитудно-фазовой характеристики при разной входной мощности сигнала на одной частоте для двух квадратур.

На Фиг. 4 показана амплитудно-фазовая характеристика первой квадратуры фазового пеленгатора, выполненного по функциональной схеме (Фиг. 1) при N=2 для частоты 1,1 ГГц при входной мощности сигнала -25 Дбм и -28Дбм.

На Фиг. 5 показана амплитудно-фазовая характеристика второй квадратуры фазового пеленгатора, выполненного по функциональной схеме (Фиг. 1) при N=2 для частоты 1,1 ГГц при входной мощности сигнала -25 Дбм и -28Дбм.

Как видно из Фиг. 4, 5 формы квадратур в зависимости от мощности сигнала на входах антенн подобны. Имеет масштабирование амплитудно-частотной характеристики при изменении входной мощности сигнала.

Таким образом, нами показано, что получена возможность пеленгования источников радиосигналов в широкой полосе частот без перестройки пеленгатора. Это достигается тем, что сигналы на входах гетеродина и радиочастотных входах смесителей всегда имеют одинаковую частоту. Амплитудно-фазовая характеристика приемника сохраняет свое подобие при изменении частоты и мощности входного сигнала, а совместный анализ двух квадратур в микроконтроллере позволяет пеленговать источник радиоизлучения однозначно.

Квадратурный фазовый пеленгатор предназначен для обнаружения и высокоточного измерения пеленга излучающих объектов. Техническим результатом является обеспечение возможности пеленгования источников радиосигналов в широкой полосе частот без перестройки устройства и использования существенных вычислительных ресурсов. Такой результат обеспечивается за счет того, что для получения первой квадратуры выход первой антенны через первый малошумящий усилитель соединен с гетеродинными (ГЕТ) входами первой группы 1…N-1 балансных смесителей, для получения второй квадратуры выход первой антенны через первый малошумящий усилитель и фазовращатель соединен с ГЕТ входами второй группы 1…N-1 балансных смесителей, выходы двух групп балансных смесителей 1…N-1 соединены через электронные коммутаторы с двумя входами аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера. 5 ил.

Квадратурный фазовый пеленгатор, содержащий N широкополосных антенн, N широкополосных малошумящих усилителей (МШУ), две группы из N-1 выходных балансных смесителей, фазовращатель, два электронных коммутатора, соединяющих выходы двух групп из N-1 балансных смесителей с входами аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера, и микроконтроллер, в котором выходы антенн 2…N через МШУ 2…N соединены с радиочастотными (РЧ) входами обеих групп балансных смесителей 1…N-1, отличающийся тем, что для получения первой квадратуры выход антенны 1 через МШУ 1 соединен с гетеродинными (ГЕТ) входами первой группы 1…N-1 балансных смесителей, для получения второй квадратуры выход антенны 1 через МШУ 1 и фазовращатель соединен с ГЕТ входами второй группы 1…N-1 балансных смесителей, выходы двух групп балансных смесителей 1…N-1 соединены через электронные коммутаторы с двумя входами аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера.