بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله طراحی، شبیه سازی و ساخت یک سیستم جهت یابی با پهنای باند فرکانسی وسیع بر پایه یک الگوریتم جهت یابی ترکیبی دامنه و فاز ارائه شده است. روش جهت یابی دامنه یک روش سریع اما با دقت کم می باشد . روش جهت یابی بر پایه تداخل سنجی فاز یک روش با دقت باال بوده اما در پهنای باند های وسیع دچار ابهام شده و نیازمند رفع ابهام می باشد. در این روش با استفاده از مزایای هر دو روش جهت یابی دامنه و تداخل سنجی فاز ، یک روش ترکیبی ارائه می شود که معایب دو روش دامنه و فاز را برطرف کرده و در پهنای باند وسیع با کمترین تعداد آنتن و گیرنده، جهت یابی را با دقت باال انجام دهد. با استفاده از این روش یک آرایه آنتن دوتایی طراحی شده که توانایی جهت یابی در پهنای باند فرکانسی 6-18GHz با دقت زیر . ° متوسط در نسبت سیگنال به نویز های کم با احتساب خطای فاز کانال ° متوسط را دارد. در انتها نتایج ساخت این سیستم در پهنای باند اراده شده است. این آرایه توانایی جهت یابی سمت را داشته و برای کاربردهایهوشیاری الکترونیک و پشتیبانی الکترونیک جدید بسیار مناسب است.
کلمات کلیدی:جهت یابی دامنه، جهت یابی تداخل سنجی فازی، جهت یابی پهن باند، آرایه آنتن جهت یاب.
-1 مقدمه
سامانه های هوشیاری الکترونیک1 و سامانه های پشتیبانی الکترونیک2 از مهمترین سامانه های مراقبتی حوزه جنگ الکترونیک بوده که وظیفه جمع آوری اطالعات رادارها و اهداف روشن متخاصم در میدان نبرد الکترونیک را به عهده دارند. از مهمترین وظایف این سیستمها میتوان به جهت یابی اهداف، شناسایی مشخصات درون پالسی و کالس بندی کردن اهداف اشاره کرد.شناسایی اهداف فعال موجود در فضا از جمله رادارها و اخاللگرها از اهمیت بسیار زیادی برخوردار بوده که معموال با توجه به پهن باند بودن این سامانه ها، جهت یابی باید در پهنای باند وسیعی انجام شود.روش های مختلفی برای جهت یابی در پهنای باند وسیع وجود دارد که به طور کلی در سه روش جهت یابی مقایسه دامنه، جهت یابی مقایسه فاز و جهت یابی مقایسه تاخیر زمانی دسته بندی می شوند .[1]
در روش جهت یابی مقایسه دامنه با استفاده از چند آنتن جهتی که محور بیم آنها با هم اختالف زاویه دارد، جهتیابی صورت میگیرد. در واقع در این روش با توجه به بیم آنتنهای جهتی یک جدول تشکیل داده و با توجه به مقایسه دامنه سیگنالهای دریافتی، جهت سیگنال تخمین زده خواهد شد. از آنجا که روش جهت یابی دامنه دقت کمی دارد [1]، برای بدست آوردن دقت های بیشتر از روش های دیگر استفاده می شود. در روش جهت یابی با تاخیر زمانی، با استفاده از تاخیر زمان بین سیگنالهای دریافتی از آنتنهای مختلف جهت سیگنال دریافتی تخمین زده خواهد شد. در واقع در این روش از رابطه تاخیر زمانی سیگنال های دریافتی با زاویه ورود سیگنال جهت یابی انجام می شود.
این روش از دقت زیادی برخوردار است اما برای رسیدن به این دقت نیازمند سنکرون سازی گیرنده ها و همچنین تکنولوژی و هزینه زیاد می باشد. [1] در روش جهت یابی مقایسه فازی، با استفاده از مقایسه فاز سیگنال های دریافتی و روابط بین فاز و جهت ورود سیگنال های دریافتی، جهت یابی انجام می شود. این روش از دقت زیادی برخوردار می باشد اما از پیچیدگی بیشتری نسبت به روش دامنه دارد[1] و.[2]یکی از مسائلی که در جهت یابی مقایسه فاز وجود دارد موضوع ابهام در جهت یابی بوده که با توجه به ابعاد فیزیکی آنتنها و پهنای باند فرکانسی وسیع حتما رخ خواهد داد . [3] برای حل این موضوع روش های مختلفی وجود دارد اما در این روش ها نیازمند استفاده از آنتن های کمکی بوده و در نتیجه منجر به افزایش هزینه و همچنین پیچیدگی سامانه خواهد شد.
در این مقاله با استفاده از ترکیب روش مقایسه دامنه و فاز از مزایای هر دو روش استفاده شده و یک روش جهت یابی پهن باند و دقیق با استفاده از مینیمم تعداد آنتن و گیرنده توضیح داده می شود. در واقع در این روش با استفاده از جهت یابی دامنه مسئله ابهام جهت یابی فازی حل می شود. در این روش در ابتدا با استفاده از جهت یابی دامنه یک جواب نادقیق اما نامبهم بدست می آید. از آنجا که به دلیل ابهام در جهت یابی فازی با یک دسته جواب روبرو هستیم، با استفاده از جواب بدست آمده از جهت یابی دامنه، رفع ابهام صورت گرفته و جواب دقیقتر ناشی از جهت یابی فازی، جهت تخمین زده خواهد بود. [4]
مزیت این روش نسبت به روش استفاده شده در [2] کاهش تعداد آنتن و گیرنده سیستم و در نتیجه کاهش هزینه و پیچیدگی سیستم می باشد. همچنین از آنجا که در جنگ الکترونیک امروزی، استفاده از سیستم های سبک بسیار مورد عالقه است، استفاده از این روش می تواند در سبک تر کردن سامانه های پشتیبان الکترونیک بسیار راهگشا باشد. اگرچه به دلیل اضافه شدن تفاوت پترن فاز آنتن ها به مقدار خطای فاز کانال دقت این روش از دقت مقاله [2] مقداری کمتر است.در ادامه در بخش 2 الگوریتم جهت یابی ترکیبی دامنه و فاز توضیح داده خواهد شد. در بخش 0 یک آرایه جهت یاب با مینیمم تعداد آنتن در پهنای باند 6-18GHz طراحی و شبیه سازی شده و نتایج بدست آمده ارائه خواهد شد. در بخش 4 نیز نتیجه گیری مقاله بیان می شود.
-2 روش جهت یابی ترکیبی دامنه و فاز
الگوریتم جهت یابی ترکیبی دامنه و فاز در واقع از هر دو روش جهت یابی دامنه و فاز استفاده کرده و جهت را تخمین می زند. در این روش با استفاده از جهت یابی دامنه زاویه ورود سیگنال تخمین زده شده که آن را می نامیم. همچنین با استفاده از روش جهت یابی تداخل سنجی فاز برای آرایه با تعداد دو آنتن، یک دسته جواب بدست خواهد آمد که آن را [ ℎ ] می نامیم. با مقایسه با دسته جواب [ ℎ ] و یافتن نزدیکترین زاویه از دسته جواب جهت یابی فاز به جواب ناشی از جهت یابی دامنه، زاویه نهایی بدست خواهد آمد. [4]
در شکل 1 الگوریتم کلی جهت یابی دامنه و فاز نشان داده شده است.آرایه آنتن استفاده شده در روش جهت یابی ترکیبی دامنه و فاز در شکل 2 نشان داده شده است.به دلیل پهنای باند وسیع سامانه جهت یاب ترکیبی دامنه و فاز نیاز به استفاده از یک آنتن مناسب برای هر دو جهت یابی دامنه و فاز در کل پهنای باند داریم که از آنتن حلزونی استفاده می کنیم. فاصله مرکز فاز آنتن ها از یکدیگر را می نامیم. زاویه بین محور دو آنتن 2 وزاویه ورود سیگنال را در نظر می گیریم.
-1-2مدل سازی سیگنال های دریافتی و استخراج دامنه و فاز
در ابتدای الگوریتم باید سیگنال های دریافت شده را با توجه به عملکرد سیستم جهت یابی، مدل کرده و خطاهای واقعی سیستم را در شبیه سازی ها وارد کنیم. هرچه قدر مدل استفاده شده به واقعیت نزدیکتر باشد، دقت شبیه سازی ها به نتایج حاصل از ساخت سامانه نزدیکتر خواهد بود. در معادله - 1 - سیگنال دریافتی در مرحله دیجیتال نشان داده شده است [5] ،که در این رابطه دامنه سیگنال حامل، خطای فاز کانال گیرنده، نویز کانال گیرنده، فاز کانال گیرنده شماره و فرکانس حامل می باشد. از آنجا که خطای فاز کانال های گیرنده حتی پس از کالیبراسیون داخلی زیاد است، باید آن را در مدل سازی سیگنال در نظر گرفت. این خطا هم ناشی از گیرنده های فازی بوده [9] و [10] و هم از خطای ساخت آنتن سرچشمه می گیرد [11] و .[12] مقدار خطای فاز کانال های گیرنده را درمحاسبات CPTE3 می نامیم.
برای استخراج دامنه و فاز سیگنال های دریافتی از دو کانال گیرنده، از روش FFT استفاده می کنیم. چنانچه FFT سیگنال دریافتی از کانال شماره را - - بنامیم، می توانیم اختالف فاز و دامنه سیگنال دریافتی را از فرمول های زیر بدست آوریم .[6]که در این روابط ∆ اختالف فاز استخراج شده بین دو کانال و 1 و 2 دامنه سیگنال دریافتی از کانال شماره 1 و 2 می باشند. عملگر - ∗ - در واقع مزدوج سیگنال است. این روش روشی بسیار مناسب برای استخراج دامنه و فاز سیگنال ها بوده که در شرایط وجود اخاللگر در میدان نبرد، عملکرد مناسبی خواهد داشت [7] و .[8]
-2-2روش جهت یابی مقایسه دامنه
در روش جهت یابی مقایسه دامنه، با توجه به اینکه محور آنتن ها با یکدیگر زاویه دارد، بنابراین از رابطه نسبت دامنه سیگنال های بدست آمده با زاویه ورود سیگنال جهت یابی انجام می شود. چنانچه آنتن های جهت یابی را حلزونی در نظر بگیریم می توانیم با توجه به [2] معادله پترن آنتن های حلزونی را به صورت زیر در نظر بگیریم.که در این رابطه پهنای بیم 3dB آنتن و 1 و 2 گین آنتن های حلزونی می باشند. رابطه بین نسبت توان سیگنال های دریافتی دو کانال به - - dB بر حسب زاویه ورود سیگنال در معادله زیر بیان شده است:
بنابراین با استفاده از این رابطه می توانیم پس از استخراج دامنه سیگنال های دریافتی، زاویه ورود سیگنال را تخمین بزنیم. یکی از پارامترهایی که در میزان خطای جهت یابی با روش مقایسه دامنه اهمیت دارد نسبت انحراف آنتن های دامنه از یکدیگر به مجذور پهنای بیم آنتن هاست که در رابطه زیر نمایان است .[2]با استفاده از رابطه - 3 - می توانیم نسبت انحراف محور دو آنتن به پهنای بیم را به گونه ای انتخاب کنیم که به ازای خطای دامنه دو کانال مشخص، خطای جهت یابی قابل قبول باشد.
-3-2روش جهت یابی تداخل سنجی فاز و روش ترکیبی
در روش جهت یابی تداخل سنجی فاز از رابطه اختالف فاز سیگنال های دو کانال گیرنده با زاویه ورود استفاده می شود که در معادله - 13 - مشخص شده است.که در این رابطه طول موج سیگنال ورودی است. چنانچه فاصله مرکز فاز دو آنتن کوچکتر از نصف طول موج سیگنال ورودی باشد، رابطه - 13 - یک به یک بوده و می توانیم جهت ورود سیگنال را بدست آوریم. اما چنانچه این فاصله بزرگتر از نصف طول موج باشد ابهام خواهیم داشت. این ابهام خود را به صورت یک دسته جواب به جای یک جواب یکتا نشان خواهد دادکه دراین رابطه تعداد حداکثر 2 + 1 زاویه وجود خواهد داشت.که در این رابطه اپراتور - - . بیانگر اولین عدد صحیح بزرگتر از آرگومان می باشد. در الگوریتم ترکیبی دامنه و فاز از بین زوایای تخمین زده شده در دسته جواب ناشی از روش تداخل سنجی، جهتی را که کمترین
