CC BY
17МБЛШ ОБ СОММТГШСЛТЮМ Б((ШРМБ]ЧТ Iss. 1 (145). 2019
А. С. Ломакова
ПАО «Интелтех»
С. В. Русин
Кандидат технических наук, ПАО «Интелтех»
Ю.В. Савенкова
ПАО «Интелтех»
А. К. Скворцов
ПАО «Интелтех»
АКТУАЛЬНАЯ ПРОБЛЕМА АВИАНЕСУЩЕГО ФЛОТА — МИНИАТЮРИЗАЦИЯ КОРАБЕЛЬНОЙ ПЕРЕДАЮЩЕЙ ДВ-СВ АНТЕННЫ ПРИВОДНОЙ РАДИОСТАНЦИИИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЕЁ РЕШЕНИЯ
АННОТАЦИЯ. В статье изложена актуальная проблема авианесущего флота — проблема миниатюризации корабельной передающей ДВ-СВ антенны приводной радиостанции и представлены результаты её решения. Разработанные результаты позволяют улучшить боевые качества малых авианесущих кораблей. Решение проблемы основано на замене класса излучения А2А на класс А1А. Представлены результаты энергетического расчета радиолинии с малогабаритными антеннами электрического и магнитного типов в наихудшихусловияхфункционирования приводной радиостанции.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: класс излучения, габариты, добротность, приводная радиостанция, радионавигационный комплекс.
Ранее авторами была опубликована статья [1], в которой показано, что миниатюрная передающая антенна не может обеспечить требуемую эффективность системы радиопривода. Причиной является широкая полоса опознавательного сигнала в классе излучения А2А. В развитие данной темы предложено решение задачи миниатюризации корабельной передающей антенны приводной радиостанции ДВ-СВ диапазона на основе замены класса излучения А2Ана А1А в котором полоса частот опознавательного сигнала значительно меньше.
Малые авианесущие корабли ВМФ России отличаются от зарубежных наличием двух мачт. Примером могут служить и шведские корветы проекта \lsby и российские корветы проекта 20380 соответственно рис. 1 а) и б). Две мачты российского корвета поддерживают крупно-
габаритную Т-образную антенну приводной радиостанции (на рис. 1 антенна обозначена штриховой линией).
Шведский корабль оснащён малогабаритной антенной, которая встроена в корпус единственной мачты. Отличие габаритов антенн связано в первую очередь с тем, что для системы радиопривода в России используется диапазон ДВ-СВ (1580...170 м), а за рубежом — диапазонДЦВ (0,313...0,247 м).
Приводная радиостанция диапазона ДВ-СВ имеет несколько важных преимуществ. Во-первых, обеспечивает привод самолёта или вертолёта на корабль, даже если тот находится за горизонтом, при этом не требуется большая мощность излучения. Во-вторых, радиосигнал не подвержен замираниям.
Рис. 1. Корветы-невидимки построенные по технологии Стеле
Приводная станция диапазона ДЦВ, напротив, обеспечивает привод летательного аппарата, только если тот находится над горизонтом, при этом требуется большая мощность излучения, а радиосигнал подвержен замираниям.
Ещё одним преимуществом приводной радиостанции ДВ-СВ диапазона является её безопасность для здоровья личного состава экипажа из-за меньшей эффективной мощности излучения и меньшего влияния на организм человека низких частот.
Обладая такими важными преимуществами, приводная радиостанция ДВ-СВ диапазона имеет существенный недостаток — её крупногабаритная Т-образная антенна накладывает негативный отпечаток на облик корабля. Наличие двух мачт, поддерживающих антенну, влечет не только радиолокационную заметность корабля, но и худшие ходовые качества по причине использования более прочного, а значит более тяжелого корпуса. Проблема уменьшения габаритов антенны приводной радиостанции является актуальной. Её решение значительно улучшит боевые качества авианесущих кораблей.
Попытки разработать малогабаритную антенну приводной радиостанции предпринимались в разное время на нескольких предприятиях промышленности, но требуемая эффективность антенн не могла быть достигнута по причине узкой полосы согласования малогабаритных антенн с радиостанцией [2].
Очевидно, что для эффективного использования малогабаритных антенн, которые по своей природе весьма узкополосные, целесообразно использовать узкополосные радиосигналы. Но на практике дело обстоит совсем не так. В системе радиопривода используют широкополосные сигналы класса излучения А2А. Попытки расширить полосу согласования малогабаритной антенны до ширины полосы излучаемого сигнала приводят к уменьшению КПД антенны. В результате радиус действия приводной радиостанции уменьшается и на входе автоматического радиокомпаса вертолёта или самолёта не обеспечивается требуемое отношение сигнал/шум (ОСШ) [3]:
ВДн > 10. (1)
МБЛШ ОБ СОММиШСЛТЮМ Б((ШРМБ]ЧТ Iss. 1 (145). 2019
Альтернативный путь решения задачи — уменьшить полосу сигнала до полосы согласования с антенной.
Для неискаженной передачи опознавательного знака требуется узкая полоса частот. Опознавательный знак представляет собой од-ну-две буквы русского алфавита, он излучается в коде Морзе в режиме слуховой телеграфии [4]. Наибольшая скорость телеграфирования 5 бод достигается при передаче букв «С» (три точки) и «X» (четыре точки). В классе излучения А2А сигнал занимает полосу 2030 Гц, тогда как в классе излучения А1Аполоса составит всего 15 Гц (в 135 раз меньше). Спектры сигнала в обоих классах излучения представлены на рис. 2.
Полоса излучаемого в эфир сигнала не должна быть больше полосы согласования (2Д/) малогабаритной антенны с радиостанцией. Отношение центральной частоты^ полосы согласования антенны к ширине полосы 2А/-числено равно добротности антенны:
где X— реактивная часть входного сопротивления антенны, Л2 — сопротивление излучения. Двойка в знаменателе введена для учета выходного сопротивления передатчика трансформированного к антенне (по условию согласования). В формулах переменные с индексом «0» относятся к идеальным антеннам.
Добротность идеальной антенны зависит от её габаритов и не может быть меньше величины, определяемой выражением [2]:
О, =
1
(ка)
1 + ка
(4)
О =
2ДГ ■
(2)
где к = 2яД — волновое число, а — радиус сферы описанной вокруг антенны.
Чем меньше габариты, тем больше добротность и меньше полоса согласования антенны. Для уменьшения добротности и расширения полосы согласования в цепь антенны вносят потери. Добротность антенны с потерями (т. н. «добротность антенного устройства») определяется выражением:
X
О =
Добротность идеальной (без потерь) антенны (т. н. «внешняя» добротность), равна отношению:
2 (Яи +
(5)
где Яп — сопротивление потерь. Чем больше Лп, тем меньше КПД антенны:
(6)
1,0
Частота, МГц Спектр сигнала в классе излучения А1А
Рис. 2. Спектры сигнала в классах излучения А2А (а) и А1А (б)
В диапазоне ДВ-СВ сопротивление излучения много меньше сопротивления потерь Л2 << Лп. С достаточной для практики точностью можно считать, что КПД обратно пропорционален сопротивлению потерь: КПД ~ 1/Лп.
Сопротивление потерь должно быть достаточным для согласования антенны в полосе сигнала, но при этом должно быть обеспечено требуемое ОСШ (1).
Используя формулы (3) и (5) можно записать КПД как отношение добротности антенны с потерями к добротности этой же антенны без учёта потерь:
кпд=.
(7)
Из выражений (3)...(7) следует вывод, что КПД малогабаритной антенны обратно пропорционален ширине полосы согласования. Согласованная в широкой полосе малогабаритная антенна имеет малый КПД.
Уменьшив полосу опознавательного сигнала в 135 раз, можно использовать малогабаритную антенну с меньшим, примерно в 135 раз, сопротивлением потерь Лп. Во столько же раз будет больше КПД передающей антенны, и во столько же раз будет больше мощность опознавательного сигнала принятого радиокомпасом вертолёта или самолёта.
Далее следует уменьшить полосу пропускания приёмника радиокомпаса с 600 Гц [3] до 15 Гц, т. е. в 40 раз, мощность шумов на входе приёмника также уменьшится в 40 раз.
В результате замены класса излучения А2А на А1А отношение сигнал/шум на входе приёмника радиокомпаса возрастёт в 135 • 40 = = 5400 раз, т. е. на 37 дБ!
Уменьшение полосы сигнала даёт возможность уменьшить габариты передающей антенны, обеспечив при этом требуемую эффективность системы радиопривода. Авторам удалось показать, что в наихудших условиях эксплуатации радионавигационного комплекса, а именно, на трассах со значительным преобладанием сухой почвы и при максимальной мощности шумов требуемое ОСШ может быть обеспечено антенной таких габаритов, что радиус сферы описанной вокруг антенны составит 1,5 м [5]. Антенна таких габаритов может быть выполнена в соответствии с технологией Стеле. Она может быть установлена, например, на крыше вертолетного ангара.
Для иллюстрации этого вывода авторами выполнен расчет малогабаритных антенных устройств: электрического и магнитного типов. В их конструкциях использованы серийные изделия, выпускаемыхпромышленностью.
Антенное устройство электрического типа, схема которого представлена на рис. 3, состоит из несимметричного излучателя с верхней емкостной нагрузкой (А), антенного контура (Хак), сопротивления потерь (поглотителя) (Лп), и Г-образного согласующего устройства (СУ) на реактивных элементах Ьр и С?. Несимметричный излучатель с верхней емкостной нагрузкой изображен на рис. 4. По условию габариты антенны таковы, что радиус описанной вокруг неё сферы равен 1,5 м. Длина вертикальной части излучателя £ = 1,5 м, диаметр 6 дюймов (радиус а = 165 мм), верхняя емкостная нагрузка — диск радиусом г= 1,5 м.
Моделирование антенного устройства выполнено в программе КЕ81ш99. Частотная зависимость коэффициентов передачи (£21) и отражения на входе антенного устройства (£и) представлена на рис. 5. При разбросе электрических параметров в пределах 5 % обеспечиваются согласование с приводной радиостанцией науровне КБВ = 1...0,6.
Аналогичные параметры имеет малогабаритное антенное устройство магнитного типа (рисунок 6), в котором излучателем (А) является горизонтальная многовитковая рамка радиусом 1,5 м и длиной 0,6 м.
Колебательный контур на частотах в диапазоне 190...1750 кГц образован излучателем и серийно выпускаемым вакуумным переменным конденсатором Сак марки КП1—12 4 кВ, ёмкость которого может меняться в пределах 10...1200 пФ. Допустимое напряжение на клеммах конденсатора 4 кВ.
Рис. 3. Схема антенного устройства электрического типа с согласующим устройством на реактивных элементах с последовательной ёмкостью
МБЛШ ОБ СОММиШСЛТЮМ ^(^Т1:Г1:Р>М1Е]>чП:. Iss. 1 (145). 2019
Рис. 4. Несимметричный излучатель с верхней емкостной нагрузкой
Файл Тип графика Пределы г ра фиксе Риброс Инструменты Ус та но» ки Помощь |1ШВ
С 811 ^ 521 Г 512
Г 522
&'21
\
\
\ [Жи
(•190Ж1
♦
♦ -302Ш
Л
Стоп |28СкНг
J
Рис. 5. Частотная зависимость коэффициентов передачи 8: и отражения 8и на входе антенного устройства
V
Вх
JL
Ls
I Йп
-Jf-
Ср
Рис. 6. Схема антенного устройства магнитного типа с согласующим устройством на реактивных элементах с последовательной индуктивностью
Следует принять во внимание, что замена класса излучения корабельной приводной радиостанции требует модернизации автоматического радиокомпаса палубной авиации с целью обеспечения приёма опознавательного знака в двух классах излучения; А1А — для привода на авианесущий корабль и А2А — для привода на береговой аэродром. Модернизация коснётся только селективных цепей и детекторной части радиокомпаса. Конструктивные изменения не потребуются. Габариты радиокомпаса, его посадочное место и внешние подключения останутся прежними.
Для проверки эффективности малогабаритных антенн в классе А1А выполнен энергетический расчет радиолинии «корабль-вертолёт» в наихудших условиях работы радиопривода — при выполнении полётов на максимальном удалении 150 км на высоте 1 км над очень сухой почвой характерной для пустыни при максимальном уровне помех. Мощность передатчика приводной радиостанции принята равной 400 Вт, класс излучения А1А.
Расчет множителя ослабления вычислен по методике [6].
Мощность шума на входе радиокомпаса найдена в соответствии с Рекомендацией МСЭ-RP. 372-10 [7].
Величина ОСШ в полной мере обеспечивает работу радиокомпаса в режиме автоматического указания курса (1). На краях диапазона
рабочих частот ОСШ имеет величину на частоте 190 кГц: 12,3 дБ ночью и 38,9 дБ днём, а на частоте 1750 кГц: 25,4 дБ ночью и 49,4 дБ днём.
Результаты энергетического расчета радиолинии «корабль-вертолёт» подтверждают возможность малогабаритных антенных устройств обеспечить в классе излучения А1А требуемое ОСШ > 10 дБ на входе радиокомпаса при мощности приводной радиостанцией 400 Вт.
Заключение
Проблема миниатюризации антенны ДВ-СВ диапазона приводной радиостанции авианесущего корабля может быть решена на основе использования в системе радиопривода узкополосных сигналов, а именно путём замены класса излучения А2А на А1А. Уменьшение полосы сигнала позволит реализовать миниатюрную передающую антенну диапазона ДВ-СВ, которую можно вписать в сферу радиусом 1,5 м. Эффективность радионавигационного комплекса при этом будет достаточна для обеспечения привода самолётов на авианесущий корабль в самых сложных условиях.
Использование узкополосных сигналов в системе радиопривода требует модернизации автоматического радиокомпаса с целью обеспечения приёма опознавательного знака в двух классах излучения: А1А — для привода на авианесущий корабль и А2А — для привода на береговой аэродром. Габариты, элементы крепления и внешние подключения модернизированного радиокомпаса останутся прежними.
Уменьшение габаритов корабельной антенны приводной радиостанции позволит отказаться от дополнительной мачты, что улучшит боевые качества авианесущих кораблей: уменьшит их радиолокационную заметность и улучшит ходовые качества за счет уменьшения габаритов и массы корпуса корабля.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ломакова А. С., Русин С. В., Савенкова Ю. В., Шевченко В. В. Возможности миниатюризации антенны приводной радиостанции //Техника средств связи. 2018. №4. С. 111-115.
2. Мс. Lean J.S. Are-examinationoithcfundamental-li mitsontheradiation Qoftheelectricallysmallaiiten nas // IEEETrans. Anlcnnasand Prop.— 1996. — Vol. 44. № 5. - P. 672-676.
MEANS OlF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 1 (145). 2019
3. Автоматический радиокомпас APK-11. Техническое описание. // URL: http://oleg-tulin.narod.ru/ index/0—13 (дата обращения 25.05.2016).
4. Изделие РИДУ Р - 637 ЖЯ1.201.009 ТУ Технические условия.
5. Ломакова А. С., Русин С. В., Савенкова Ю. В. Предельно достижимые габариты антенны радионавигационного комплекса // Современное состояние и
перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией: материалы Увсерос. научн. конф., Воронеж, 13 октября 2016 г.
6. Фок В. А. Поле от вертикального и горизонтального диполя, приподнятого над поверхностью Земли //ЖЭТф,- 1949. - Т. 19. - Вып. 10.
7. Рекомендация МСЭ-ИР.372-10 (10/2009) «Ра-диошум».
