radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-2-25-36radioelectronics-734Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASИсследование влияния антенных элементов миллиметрового диапазона на ошибки пеленгации фазовым методомResearch into the Influence of Millimeter-Wave Antennas on Direction Finding Errors by Phase Methodhttps://orcid.org/0000-0002-0204-327XПавловИ. Д.PavlovI. D.

Павлов Иван Дмитриевич – магистр по специальности "Радиотехника" (Омский государственный технический университет, 2017), инженер-конструктор 2-й категории. Автор 11 научных работ. Сфера научных интересов – электродинамика и антенно-фидерные устройства.

644027, Омск, пр. Космический, д. 24 А

Ivan D. Pavlov, Master in "Radio Engineering" (Omsk State Technical University, 2017), Design engineer of the 2nd category. The author of 11 scientific publications. Area of expertise: electrodynamics and antenna-feeder devices.

644027, Omsk, Kosmichesky Pr., 24 A

s-glok9@mail.ruАО "Центральное конструкторское бюро автоматики"РоссияJSC "Central design bureau of automatics"Russian Federation2023010520232622536Copyright © Павлов И.Д., 20232023Павлов И.Д.Pavlov I.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/734

Введение. Ошибки пеленгации ухудшают качество работы любой пеленгационной системы. При работе фазового пеленгатора причиной ошибок в том числе является неидентичность приемных каналов. Исследования влияния антенн на ошибки пеленгации, а также поиск способа уменьшения этих ошибок являются актуальными задачами, поскольку позволяют улучшить качество работы всей пеленгационной системы.Цель работы. Исследование влияния антенн миллиметрового диапазона на ошибки фазового пеленгатора.Материалы и методы. Для серии из четырех антенн миллиметрового диапазона были получены пространственные отсчеты коэффициентов усиления, отсчеты фазовых диаграмм и значения комплексного коэффициента отражения. На основе полученных характеристик для нескольких пространственных направлений были сформированы матрицы характеристик. Для каждой матрицы была найдена L-норма. По различиям полученных L-норм делались выводы о степени различия матриц характеристик антенн. По степени схожести матриц характеристик антенны были попарно сгруппированы. L-нормы матриц антенн из одной пары различались несущественно по сравнению с различиями L-норм матриц антенн из второй пары. Для каждой пары антенн определялись пеленг и ошибки пеленгации в диапазоне углов ϕ: −15…15° с шагом в 1°.Результаты. Полученные значения ошибок пеленгации для двух поочередно использованных пар антенн различаются во всем рассмотренном диапазоне углов. Причем пара антенн с меньшей разницей L-норм характеризуется меньшим уровнем ошибок пеленгации. В большинстве точек углового диапазона разница ошибок пеленгации для двух пар антенн попадает в промежуток значений от 0.5 до 0.1°. На границах углового диапазона ошибки пеленгации возрастают, наибольшая разница в 0.5° наблюдается при угле ϕ = 15°.Заключение. В результате исследования определено, что различия характеристик антенн, установленных в одну фазометрическую базу, приводят к увеличению ошибок пеленгации. Предложен способ количественной оценки неидентичности антенн. Применяя предложенный способ, можно группировать антенны в фазометрических базах, что позволит снизить ошибки пеленгации фазовым методом.

Introduction. Direction finding errors degrade the performance of any direction finding system. In the case of a phase direction finder, the cause of errors, among other things, is related to the non-identity of the receiving channels. Research into the influence of antennas on direction finding errors, as well as a search for ways to reduce these errors, appear to be relevant tasks in terms of improving the quality of direction finding systems.Aim. To study the influence of millimeter-wave antennas on the errors of the phase direction finder.Materials and methods. For a series of four millimeter-wave antennas, the following characteristics were obtained: spatial gain readings, phase diagram readings, and complex reflection coefficient values. Based on the characteristics obtained for several spatial directions, matrices of characteristics were formed. For each matrix, the L norm was found. Based on the differences between the obtained L norms, conclusions were drawn about the degree of difference between the antenna characteristic matrices. According to the degree of similarity between the characteristic matrices, the antennas were grouped in pairs. The L norms of the antenna matrices from one pair differed insignificantly compared to the differences between the L norms of the antenna matrices from the second pair. With each pair of antennas, the bearing and direction-finding errors were determined in the range of angles φ: −15…15° in increments of 1°. The values of direction-finding errors obtained for each pair of antennas were compared with each other.Results. The obtained values of direction-finding errors for two alternately used pairs of antennas differ in the entire considered range of angles. Moreover, a pair of antennas with a smaller difference L norm is characterized by a lower level of direction-finding errors. At most points in the angular range, the difference in DF errors for two pairs of antennas falls within the range of 0.05 to 0.1°. At the boundaries of the angular range, the direction-finding errors increase, with the largest difference of 0.5° being observed at an angle of ϕ = 15°.Conclusion. Differences in the characteristics of antennas installed in the same phase-metric base lead to an increase in direction finding errors. A method for quantifying the non-identity of antennas is proposed. The proposed method can be used to group antennas in phase-metric bases, which will reduce direction-finding errors by the phase method.

антенныволновые матрицыфазовый пеленгаторошибки пеленгацииantennaswave matrixphase direction finderdirection finding errorsReferencesMultiple Array Spacings for an Interferometer Direction Finder with High Direction-Finding Accuracy in a wide Range of Frequencies / J. H. Lee, J. K. Kim, H. K. Ryu, Y. J. Park // IEEE Antennas and Wireless Propagation Let. 2018. Vol. 17, № 4. P. 563–566. doi:10.1109/LAWP.2018.2803107Lee J. H., Kim J. K., Ryu H. K., Park Y. J. Multiple Array Spacings for an Interferometer Direction Finder with High Direction-Finding Accuracy in a wide Range of Frequencies. IEEE Antennas and Wireless Propagation Let. 2018, vol. 17, no. 4, pp. 563–566. doi:10.1109/LAWP.2018.2803107Ergezer N., Nayir H. A Low Cost HF Direction Finding Antenna Array Simulator for Verification of HF-DF Receivers // Proc. of the Intern. Automatic Testing Conf. St Louis, USA, 15–18 Sept. 2014. Piscataway: IEEE, 2014. P. 14700766. doi:10.1109/AUTEST.2014.6935159Ergezer N., Nayir H. A Low Cost HF Direction Finding Antenna Array Simulator for Verification of HFDF Receivers. Proc. of the Intern. Automatic Testing Conf. St Louis, USA, 15–18 Sept. 2014. IEEE, 2014, p. 14700766. doi:10.1109/AUTEST.2014.6935159Шарыгин Г. С., Дубинин Д. В. Круговая антенная решетка для моноимпульсного фазового пеленгатора // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 24-й Междунар. конф., Севастополь, Россия, 7–13 нояб. 2014 г. IEEE, 2014. С. 471–472. doi:10.1109/CRMICO.2014.6959484Sharygin G. S., Dubinin D. V. Ring Array for Monopulse Phase Direction Finder. 24th Intern. Crimean Conf. Microwave & Telecommunication Technology, Sevastopol, Russia, 7–13 Sept. 2014. Piscataway, IEEE, 2014, pp. 471–472. doi:10.1109/CRMICO.2014.6959484 (In Russ.)Порубов Г. Г. Методика выбора оптимальных структур антенных решеток фазовых пеленгаторов и оценка вероятностных характеристик // Докл. ТУСУР. 2017. Т. 20, № 1. С. 5–9. doi:10.21293/1818-0442-2017-20-1-05-09Porubov G. G. Method to Select the Optimal Structures for Antenna Arrays of Phase Direction Finder and Assessment of Probability Characteristics. Proc. of TUSUR University. 2017, vol. 20, no. 1, pp. 5–9. doi:10.21293/1818-0442-2017-20-1-05-09 (In Russ.)Исследование работы фазового пеленгатора с квазиоптимальным устранением неоднозначности на наземных трассах / В. П. Денисов, Д. В. Дубинин, М. В. Крутиков, А. А. Мещеряков // Докл. ТУСУР. 2011. № 2 (24). С. 7–15.Denisov V. P., Dubinin D. V., Krutikov M. V., Mescheryakov A. A. Quasi-optimal Method to Avoid the Ambiguity of Bearing Estimation by Terrestrial Finder. Proc. of TUSUR University. 2011, no. 2 (24), pp. 7–15. (In Russ.)Algorithm for Obtaining Accurate Phase Interferometer / S. V. Doan, J. Vesely, P. Janu, P. Hubacek, X. L. Tran // Proc. of the 26th Intern. Conf. Radioelektronika, Kosice, Slovakia, 19–20 Apr. 2016. IEEE, 2016. P. 16036088. doi:10.1109/RADIOELEK.2016.7477374Doan S. V., Vesely J., Janu P., Hubacek P., Tran X. L. Algorithm for Obtaining Accurate Phase Interferometer. Proc. of the 26th Intern. Conf. Radioelektronika, Kosice, Slovakia, 19–20 April 2016. IEEE, 2016, p. 16036088 doi:10.1109/RADIOELEK.2016.7477374Optimized Algorithm for Solving Phase Interferometer Ambiguity / S. V. Doan, J. Vesely, P. Janu, P. Hubacek, X. L. Tran // Proc. of the 17th Intern. Radar Symp., Krakow, Poland, 10–12 May 2016. IEEE, 2016. P. 16104516. doi:10.1109/IRS.2016.7497353Doan S. V., Vesely J., Janu P., Hubacek P., Tran X. L. Optimized Algorithm for Solving Phase Interferometer Ambiguity. Proc. of the 17th Intern. Radar Symp., Krakow, Poland, 10–12 May 2016. IEEE, 2016, p. 16104516. doi:10.1109/IRS.2016.7497353Виноградов А. Д., Востров А. Ю., Дмитриев И. С. Обобщенная структура радиопеленгатора и основные термины, используемые в теории радиопеленгования // Антенны. 2018. № 5. С. 5–20.Vinogradov A. D., Vostrov A. Yu., Dmitriev I. S. The Generalized Structure of the Direction Finder and the Main Terms Used in the Theory of Radio Direction Finding. Antennas. 2018, no. 5, pp. 5–20. (In Russ.)Павлов И. Д. Электродинамическое моделирование и расчет широкополосной малогабаритной спиральной антенны миллиметрового диапазона // Омский науч. вестн. 2017. № 5. С. 152–158.Pavlov I. D. Electrodynamic Modeling and Calculation of the Broadband Small-Sized Spiral Antenna of a Millimeter Range. Omsk Scientific Bulletin. 2017, no. 5, pp. 152–158. (In Russ.)Пат. RU 2673319 МПК Н 01 Q 1/00. Спиральная антенна / Д. Д. Кохнюк, И. А. Боровик, Я. В. Федоров, И. Д. Павлов, И. Н. Звягинцев, В. В. Волчонков. Опубл. 23.11.2018. Бюл. № 33.Kohnjuk D. D., Borovik I. A., Fedorov Ya. V., Pavlov I. D., Zvjagincev I. N., Volchonkov V. V. Spiral'naya antenna [Spiral Antenna]. Pat. RU 2673319 MPK N 01 Q 1/00. Publ. 23.11.2018. (In Russ.)Уфаев В. А. Методика расчета вероятности аномальных ошибок пеленгования с применением кольцевых антенных решеток // Антенны. 2017. № 6. С. 17–22.Ufaev V. A. The Calculation Technique of Direction Finding With Circular Antenna Arrays Usage Anomalous Errors Probability. Antennas. 2017, no. 6, pp. 17–22. (In Russ.)Методика расчета вероятности аномальных ошибок моноимпульсного многоканального радиопеленгатора с антенной системой произвольной конфигурации / М. Л. Артемов, И. С. Дмитриев, М. Ю. Ильин, М. П. Сличенко // Антенны. 2020. № 3. С. 58–87. doi:10.18127/j03209601-202003-05Artemov M. L., Dmitriev I. S., Ilyin M. Yu., Slichenko M. P. Methodology for Calculation of Probability of Abnormal Errors of Monopulse Multichannel Radio Direction Finder with Antenna System of Any Configuration. Antennas. 2020, no. 3, pp. 58–87. doi:10.18127/j03209601-202003-05 (In Russ.)Уфаев В. А. Предельные параметры пеленгаторных антенных решеток // Антенны. 2017. № 6. С. 5–9.Ufaev V. A. Limiting Parameters Antennas Arrays Appointed to Directional Finding. Antennas. 2017, no. 6, pp. 5–9. (In Russ.)Виноградов А. Д. Методические ошибки векторных радиопеленгаторов // Антенны. 2020. № 5 (267). С. 13–23. doi:10.18127/j03209601-202005-02Vinogradov A. D. Methodological Errors of Vector Direction Finders. Antennas. 2020, no. 5 (267), pp. 13–23. doi:10.18127/j03209601-202005-02 (In Russ.)Методические ошибки скалярных радиопеленгаторов с антенными решетками из ненаправленных антенн / А. Д. Виноградов, А. Ю. Михин, Е. П. Никитенко, Г. В. Подшивалова, Т. И. Шипилова // Антенны. 2020. № 3 (265). С. 6–31. doi:10.18127/j03209601-202003-01Vinogradov A. D., Mihin A. Yu., Nikitenko E. P., Podshivalova G. V., Shipilova T. I. Methodological Errors of Scalar Direction Finders with Antenna Arrays of Nondirectional Antennas. Antennas. 2020, no. 3 (265), pp. 6–31. doi:10.18127/j03209601-202003-01 (In Russ.)Способ и характеристики угломестного радиопеленгования с использованием трехэлементной антенной решетки из соосных вертикальных вибраторных антенн / А. Д. Виноградов, В. В. Грибанов, А. Ю. Михин, Е. П. Никитенко, Г. В. Подшивалова // Антенны. 2017. № 5. С. 13–18.Vinogradov A. D., Gribanov V. V., Mihin A. Yu., Nikitenko E. P., Podshivalova G. V. Method and Characteristics of Radio Direction Finding in the Elevation Plane Using an Equidistant Three-element Antenna Array Consisting of Coaxial Vertical Vibrators. Antennas. 2017, no. 5, pp. 13–18. (In Russ.)Li M., Ma R., Behdad N. A Compact Low-Cost Ultrawideband Direction Finding System: Techniques Suitable for Small-Aperture Designs // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2018. Vol. 60, № 6. P. 32–44. doi:10.1109/MAP.2018.2870641Li M., Ma R., Behdad N. A Compact Low-Cost Ultrawideband Direction Finding System: Techniques Suitable for Small-Aperture Designs. IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2018, vol. 60, no. 6, pp. 32–44. doi:10.1109/MAP.2018.2870641Amakawa Sh. Scattered Reflections on Scattering Parameters Demystifying Complex-Referenced S Parameters // IEICE Transactions on Electronics. 2016. Vol. E99, № 10. P. 1100–1112. doi:10.1587/transele.E99.C.1100Amakawa Sh. Scattered Reflections on Scattering Parameters Demystifying Complex-Referenced S Parameters. IEICE Transactions on Electronics. 2016, vol. E99, no. 10, pp. 1100–1112. doi:10.1587/transele.E99.C.1100Paulis F., Zhang Y. J., Fan J. Signal/Power Integrity Analysis for Multilayer Printed circuit Boards Using Cascaded S-Parameters // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2010. Vol. 52, № 4. P. 1008–1018. doi:10.1109/TEMC.2010.2072784Paulis F., Zhang Y. J., Fan J. Signal/Power Integrity Analysis for Multilayer Printed circuit Boards Using Cascaded S-Parameters. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2010, vol. 52, no. 4, pp. 1008–1018. doi:10.1109/TEMC.2010.2072784Антохина Ю. А., Крячко А. Ф., Ковалев А. С. Синтез характеристик антенн по измерениям в ближней зоне / под ред. Ю. Г. Шатракова; ГУАП. СПб., 2016. 309 с.Antohina Yu. A., Kryachko A. F., Kovalev A. S. Sintez kharakteristik antenn po izmereniyam v blizhnei zone [Synthesis of Antenna Characteristics from Measurements in the Near Field]. Ed. by Yu. G. Shatrakov. SPb., GUAP, 2016, 309 p. (In Russ.)Неганов В. А., Табаков Д. П., Яровой Г. П. Современная теория и практические применения антенн. М.: Радиотехника, 2009. 720 с.Neganov V. A., Tabakov D. P., Yarovoi G. P. Sovremennaya teoriya i prakticheskie primeneniya antenn [Modern Theory and Practical Applications of Antennas]. Moscow, Radiotehnika, 2009, 720 p. (In Russ.)Мануилов Б. Д., Кузнецов А. А. Характеристики рассеяния плоских вибраторных решеток при формировании многолучевых диаграмм направленности // Антенны. 2012. № 1. С. 34–42.Manuilov B. D., Kuznetsov A. A. Scattering Characteristics of Plane Arrays of Dipoles by Shaping of Multi-Beam Radiation Patterns. Antennas. 2012, no. 1, pp. 34–42. (In Russ.)Пономарев Л. И., Попов В. В. Рассеивающие свойства антенн и фазированных антенных решеток. М.: РУДН, 2003. 144 с.Ponomarev L. I., Popov V. V. Rasseivayushchie svoistva antenn i fazirovannykh antennykh reshetok [Scattering Properties of Antennas and Phased Antenna Arrays]. Moscow, RUDN, 2003, 144 p. (In Russ.)Матричные методы расчета и проектирования сложных систем автоматического управления для инженеров / К. А. Пупков, Н. Д. Егупов, Ю. Л. Лукашенко, Д. В. Мельников, В. М. Рыбин, А. И. Трофимов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. 664 с.Pupkov K. A., Egupov N. D., Lukashenko Yu. L., Melnikov D. V., Rybin V. M., Trofimov A. I. Matrichnye metody rascheta i proektirovaniya slozhnykh sistem avtomaticheskogo upravleniya dlya inzhenerov [Matrix Methods for Calculating and Designing Complex Automatic Control Systems for Engineers]. Moscow, BMSTU, 2007, 664 p. (In Russ.)Павлов И. Д. Исследование влияния антенной платформы фазового пеленгатора на ошибки пеленгации // Антенны и распространение радиоволн: сб. докл. Всерос. науч.-техн. конф., Санкт-Петербург, Россия, 24–26 нояб. 2021 г. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2021. С. 75–76.Pavlov I. D. Study of Influence of the Antenna Platform of tne Phase Direction Finder on the DirectionFinding Errors. Antennas and Propagation of radio waves: materials of the All-Russian Scientific and Technical Conf., St Petersburg, Russia, 24–26 Nov. 2021. SPb., Publishing House ETU, 2021, pp. 75–76. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.