Электронный гониометр с высоким динамическим диапазоном
Изобретение относится к радиоприемной технике и может быть использовано в области радиосвязи, радионавигации или радиопеленгации. Технический результат - повышение динамического диапазона гониометра. Достигается тем, что предлагается в качестве элемента с переменным коэффициентом передачи, изменяемым по закону синуса (косинуса), использовать два дискретных ключевых аттенюатора с цифровым управлением, включенных по двухтактой схеме. 1 н.п, 2 илл.
Устройство относится к радиоприемной технике и может быть использовано в области радиосвязи, радионавигации или радиопеленгации.
Гониометрические методы управления диаграммой направленности (ДН) антенн широко используются как для определения направления прихода радиосигналов (пеленгации), так и для пространственной режекции помех, приходящих с направлений, отличных от направления прихода сигналов [1, 2]. Такое управление ДН производится с помощью специального устройства - гониометра, - который позволяет, например, вращать ДН неподвижных антенн, минимумом в направлении прихода сигнала (помехи).
Известны электромеханические (индукционные) гониометры [1. 2, 3, 4], состоящие из 2-х ортогональных неподвижных полевых катушек, подключаемых к выходам антенн с ортогональными «восьмерочными» ДН, и искательной подвижной катушки, расположенной внутри полевых катушек. Путем механического вращения искательной катушки добиваются минимума сигнала на ее выходе и по шкале определяют азимут прихода сигнала (помехи). Недостатком такого типа гониометров является: снижение широкополосности всей приемной системы, особенно на высоких частотах (выше 10 МГц), большая инерционность, трудность автоматического управления. В этом плане электронные гониометры имеют преимущества.
Известен электронный гониометр, используемый в [5], который содержит 2 аналоговых перемножителя напряжений, первые входы которых соединены с выходами ортогональных антенных рамок, а выходы к сумматору. Ко вторым входам перемножителей подводятся постоянные напряжения, пропорциональные необходимому синусу угла поворота ДН 
(1-й перемножитель) и косинусу угла поворота (2-й перемножитель).
Недостатком такого устройства является использование аналоговых перемножителей напряжения, имеющих невысокую линейность (динамический диапазон). Такой гониометр нельзя использовать в KB диапазоне на объектах со сложной электромагнитной обстановкой, например, на надводных кораблях, при близком расположении передающих антенн. При воздействии на перемножители мощных помех от передатчиков в них будут образовываться множество нелинейных помех, ухудшающих прием сигналов, или они будут просто блокироваться мощной помехой [6].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, является цифровой антенный гониометр [7] (прототип). Гониометр содержит 2 параллельные ветви с последовательно соединенными квадрантным реле и элементом с переменным коэффициентом передачи в виде усилителя с переменным коэффициентом усиления, на аналоговый вход управления усилением которого подается напряжение с выхода ЦАП, а на вход ЦАП подается от процессора цифровая комбинация синуса угла поворота ДН (1-я ветвь) и косинуса угла поворота (2-я ветвь). Входы ветвей подключаются к выходами антенн с ортогональными ДН в виде «восьмерок» (к рамкам), а выходы ветвей - ко входу сумматора, выход которого является выходом гониометра.
Недостатком прототипа является, как и в предыдущем случае, невысокий динамический диапазон существующих усилителей с переменным коэффициентом усиления, которые не позволяют использовать гониометр на объектах со сложной электромагнитной обстановкой. Именно поэтому данное устройство рассчитано для работы только в СДВ диапазоне, где отсутствуют мощные помехи в рабочем диапазоне, а для подавления помех от передатчиков KB диапазона предусмотрены помехоподавляющие конденсаторы.
Цель полезной модели является повышение динамического диапазона электронного гониометра.
Поставленная цель достигается тем, что в каждой ветви в качестве элемента, регулирующего ее коэффициент передачи, вместо усилителя используются 2 дискретных ключевых аттенюатора с запараллеленными цифровыми входами управления аттенюацией, включенные двухтактно посредством входного и выходного симметрирующих устройств.
На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства. Оно содержит:
1 - квадрантные реле;
2 - симметрирующие входные устройства;
3 - дискретные аттенюаторы;
4 - симметрирующие выходные устройства;
5 - сумматор;
6 - вход (шина) цифрового управления дискретными аттенюаторами верхнего плеча гониометра (по закону синуса);
7 - вход (шина) цифрового управления дискретными аттенюаторами нижнего плеча гониометра (по закону косинуса);
8, 9 - входы управления квадрантными реле верхнего и нижнего плеч, соответственно.
Устройство работает следующим образом. Напряжения на выходах отдельных ортогональных антенн (рамок) равны
(1)
где Е - напряженность поля помехи;
hд - действующая высота рамок антенны;
- угол между направлением прихода сигнала и осью 1-ой рамки.
От внешнего процессора на входы аттенюаторов в цифровом виде поступают значения синуса (верхнее плечо) и косинуса (нижнее плечо) угла поворота ДН . Для получения отрицательных значений cos и sin квадрантные реле по команде процессора инвертируют сигналы на входе ветвей. В результате в гониометре происходит весовое сложение напряжений рамок с весами равными cos и sin . Соответственно, напряжение помехи на выходе гониометра будет равно
(2)
Как видим, зависимость Uгон от угла прихода помехи (ДН) имеет тот же вид что и Up1, вид «восьмерки» в полярных координатах, но повернутой на угол . Если задать на входе управления гониометром угол =-, то Uгон станет равным нулю, что будет соответствовать повороту ДН нулем в сторону прихода сигнала.
Использование ключевых дискретных аттенюаторов позволяет существенно (на порядок и более) повысить динамический диапазон гониометра. Однако, недостатком таких аттенюаторов является проникновение импульсов управления (их фронтов) в цепь сигнала, которое приводит к появлению помех при вращении ДН и ухудшению чувствительности. Предлагаемое двухтактное включение 2-х аттенюаторов в каждом плече позволяет практически полностью исключить помехи этого типа, поскольку они носят синфазный характер, а полезный сигнал в этой схеме - противофазный характер. Кроме того, включение 2-х аттенюаторов подобным образом вместо одного, дополнительно увеличивает динамические диапазоны по блокированию и интермодуляции нечетных порядков на 3 дБ и до 30 дБ - четных [6].
Таким образом, использование предлагаемых новых элементов и связей позволяет достичь положительный результат, заключающийся в существенном повышении динамического диапазона гониометра.
На графике фиг.2 представлена экспериментальная зависимость уровня сигнала на выходе гониометра (частота сигнала 10 МГц) от угла (2), нормированная относительно максимума. Использовался макет гониометра, подключенный к магнитной антенне «Акция-КВ», производства «НПП «Росмор-сервис» (г.Санкт-Петербург). Другие параметры макета гониометра:
- рабочий диапазон 0,1-30 МГц;
- шаг изменения угла поворота 
=1°;
- шаг аттенюации аттенюаторов 0,5 дБ;
- динамический диапазон гониометра по блокированию 130 дБмкВ. Таким образом, использование предложенного технического решения позволяет существенно (почти до 30 дБ) снизить уровень помехи на входе радиоприемника в сложной помеховой обстановке объекта (надводный корабль, самолет, совмещенный приемопередающий объект связи) и тем улучшить прием сигналов.
Литература
1. Старик М.Е., Кукес И.С. Основы радиопеленгации. Под ред. Иванова В.Н. - Л.; ВКИАС им. С.М.Буденного, 1953. - 496 с.
2. Кукес И.С., Старик М.Е. Основы радиопеленгации. - М.; Сов. Радио, 1964.-640 с.
3. Пат. США 
2190717 1936 г.
4. Авт. свид. СССР 28550, 1932 г.
5. Пат. США 4654664, 1987 г.
6. Бобков A.M. Реальная избирательность радиоприемных трактов в сложной помеховой обстановке. - Санкт-Петербург, Абрис, 2001. - 216 с.
7. Пат. США 6469666, 2002 г.
Электронный гониометр, содержащий две параллельных ветви с последовательно соединенными квадрантным реле и элементом с переменным коэффициентом передачи, причем входы ветвей подключаются к выходам антенн с ортогональными диаграммами направленности в виде «восьмерок», а выходы ветвей - ко входу сумматора, выход которого является выходом гониометра, отличающийся тем, что в качестве элемента с переменным коэффициентом передачи используются два дискретных ключевых аттенюатора с запараллеленными цифровыми входами управления аттенюацией, включенные двухтактно посредством входного и выходного симметрирующих устройств.
