CC BY
79
УДК 621.396.677:519.711.3
Анисимов А.Г., Трусов В.А., Тюрин С.А., Жихарев К.В., Сулейменов Е.А.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ОБЗОР ЗЕРКАЛЬНЫХ ПАРАБОЛИЧЕСКИХ АНТЕНН
Представлен обзор сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств на примере зеркальных параболических антенн. Дано описание работы зеркальной антенны в радиолокационной системе. Ключевые слова:
сверхвысокие частоты (СВЧ), зеркальная антенна.
Сверхвысокие частоты (СВЧ) уверенно входят в различные области науки и техники. Область их применения неуклонно расширяется. Растет объем выпуска и разнообразие устройств СВЧ.
Современные радиолокационные станции используются для решения чрезвычайно большого круга задач в области народного хозяйства, военной техники и науки - начиная с навигации судов и самолетов и предупреждения их столкновения с препятствиями и кончая прогнозированием погоды и космическими исследованиями методом планетной радиолокации. Многообразие решаемых задач неизбежно связано с большим разнообразием методов построения, технического воплощения и особенностей радиолокационных систем (РЛС) различного назначения. Это в полной мере относится и радиолокационным приемникам, являющимся неотъемлемой и одной из важнейших частей любой РЛС. [1-3]
Из-за весьма большого числа подвижных объектов, оборудуемых в настоящее время СВЧ аппаратурой, в наибольших количествах выпускают и применяют нестационарные наземные и бортовые РЛС, устанавливаемые на автомашинах, судах, летательных аппаратах и других носителях, которые в большинстве случаев работают на сантиметровых волнах диапазона СВЧ. Также широко используется радиоаппаратура миллиметрового диапазона волн, которые обеспечивают высокую разрешающую способность при малых размерах антенн.
В настоящее время социально-экономического развития общества в целом невозможно добиться без ускоренного развития науки и техники, причём если развитие науки показывает интеллектуальные возможности государства, то создание новых приборов и устройств наглядно демонстрирует инженерно-технический уровень общества, его способности создавать новые материалы и технологии, на практике используя достижения научной мысли.
Не последнее место в достижении этих целей занимает радиотехника: от исследований космических объектов, звёзд и галактик до обеспечения радиосвязи, создания радиолокационных приборов, охранных систем, систем радиолокации, всевозможных автоматизированных и информационных систем.
Одним из важнейших элементов любой радиотехнической системы является антенна, которая должна выполнять функции приёма и излучения радиоволн таким образом, чтобы обеспечивать наиболее рациональную и максимально надежную работу всей системы. Антенные устройства современных радиотехнических систем, как наиболее сложная и дорогостоящая их часть, в значительной степени определяют эффективность радиотехнической системы в целом. Совершенствование радиотехнических систем и расширение областей их применения часто возможно лишь при соответствующем совершенствовании их антенных устройств. Поэтому проектирование антенных устройств, обладающих определенными, заранее заданными параметрами, является весьма важной задачей современной радиотехники.
В настоящее время, в зависимости от решаемых задач, используют несколько типов антенн: рупорные, зеркальные, линзовые, параболические, антенные решётки разных типов.
В зависимости от функционального назначения радиотехнической системы, в составе которого работает антенна, предъявляются различные требования к её параметрам: коэффициенту усиления, форме диаграммы направленности (ДН), уровню её боковых лепестков и др.
В ряде случаев необходимо иметь в двух главных плоскостях ДН, значительно отличающуюся по
ширине, т. е. расширить диаграмму в одной из главных плоскостей при сохранении острой направленности в другой главной плоскости. Такие диаграммы обычно называют веерными. Антенны с веерными диаграммами широко применяются в радиолокационных станциях обзора пространства, в некоторых радионавигационных устройствах, радиолокационных системах обзора, и т. д. ДН расширяется в той плоскости, в которой не требуется определения точного направления.
Очевидно, что для создания ДН такого типа необходимо располагать антенной, раскрыв которой в различных плоскостях должен иметь различную протяженность: большую в той плоскости, где диаграмма должна быть уже, и меньшую в той плоскости, где диаграмма должна быть шире. При этом предполагается, что поле в раскрыве синфазное. Для этой цели обычно применяются следующие типы зеркальных антенн: усеченный параболоид, параболический цилиндр, сегментно-параболическая антенна, параболическое зеркало с козырьком. [1, 4-6]
Ввиду своих конструктивных особенностей и возможности оптимальной реализации значений электрических параметров зеркальная параболическая антенна получила наибольшее распространение, как один из основных элементов радиотехнических систем различного назначения, в общем, и радиолокационных систем обзора в частности. Особенности эксплуатации антенны в составе радиолокационной системы обзора, например для управления воздушным движением летательных аппаратов, накладывают на ее электрические и конструкторские параметры ряд дополнительных требований и ограничений. Одним из основных требований является обеспечение должного качества внешней помехозащищенности системы, т. е. разрабатываемая антенна должна обладать малым уровнем бокового излучения (не хуже -24 дБ). Другим не менее важным требованием является учет изменения характеристик антенны при воздействии вибрационных нагрузок в целях обеспечения стабильного функционирования системы. В результате воздействий вибрации на опорную конструкцию возникают упругие колебания зеркала и облучателя антенны, которые приводят к искажению фронта волны, вследствие этого возникает систематическая ошибка. Для её устранения необходимо разработать конструкцию держателя, которая предотвращает или уменьшает колебания зеркала и излучателя.
Антенные устройства находят широкое применение в основных областях радиоэлектроники.
В процессе развития антенны постепенно усложнялись, появились принципиально новые классы антенн, расширились выполняемые ими функции, и антенны превратились из простых устройств в сложные системы, содержащие тысячи элементов. Кроме излучения и приема электромагнитных волн антенная система стала выполнять ряд дополнительных функций: усиления, пространственной и частотной селекции сигнала, самонастройки. С развитием техники антенн возросла их роль в радиотехнических системах, и к настоящему времени в ряде областей радиоэлектроники антенны имеют решающее значение.
Примером широкого внедрения антенных систем могут послужить системы безопасности, в общем, и радиолокационные системы обзора в частности.
В современных социально-экономических условиях проблемы обеспечения безопасности различных объектов становятся особенно актуальными. Физическая защита объекта в значительной степени определяется эффективностью технических средств
обзора, установленных на периметре, поскольку они должны первыми и с максимальной достоверностью информировать о возникающих угрозах. Важнейшим элементом подобной системы является антенна. Применяемый тип антенны зависит от требований, предъявляемых к ее характеристикам. [3] Зеркальными антеннами называют антенны, у которых поле в раскрыве формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального рефлектора (зеркала). Источником электромагнитной волны обычно служит какая-нибудь небольшая элементарная антенна, называемая в этом случае облучателем зеркала или просто облучателем. Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны. [2-4]
Зеркало обычно изготовляется из алюминиевых сплавов. Поверхности зеркала придается форма, обеспечивающая формирование нужной диаграммы направленности. Наиболее распространенными являются зеркала в виде параболоида вращения, усеченного параболоида, параболического цилиндра или цилиндра специального профиля. Облучатель помещается в фокусе параболоида или вдоль фокальной линии цилиндрического зеркала. Соответственно для параболоида облучатель должен быть точечным, для цилиндра - линейным. Наряду с од-нозеркальными антеннами применяются и двухзер-кальные. [2, 7]
Рассмотрим принцип действия зеркальной антенны. Электромагнитная волна, излученная облучателем, достигнув проводящей поверхности зеркала, возбуждает на ней токи, которые создают вторичное поле, обычно называемое полем отраженной волны. Для того чтобы на зеркало попадала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен излучать только в одну полусферу в направлении зеркала и не излучать в другую полусферу. Такие излучатели называют однонаправленными.
В раскрыве антенны отраженная волна обычно имеет плоский фронт для получения острой диаграммы направленности либо фронт, обеспечивающий
получение диаграммы специальной формы. На больших (по сравнению с длиной волны и диаметром зеркала) расстояниях от антенны эта волна в соответствии с законами излучения становится сферической. Комплексная амплитуда напряженности электрического поля этой волны описывается по формуле:
Е = Е0 ■ Р(ф,в)--, (1.1)
г
где Р (ф,в) - нормированная диаграмма направленности, сформированная зеркалом.
4 6
(г 3
V 4i 2
1
Рисунок 1 - Принцип действия простейшей зеркальной антенны
На рисунке: 1 - зеркало, 2 - облучатель, 3 -сферический фронт волны облучателя, 4 - плоский фронт волны облучателя, 5 - диаграмма направленности облучателя, 6 - диаграмма направленности зеркала.
Точечный облучатель (например, маленький рупор), расположенный в фокусе параболоида, создает у поверхности зеркала сферическую волну. Зеркало преобразует ее в плоскую, т.е. расходящийся пучок лучей преобразуется в параллельный, чем и достигается формирование острой диаграммы направленности. [3, 8]
В области проектирования зеркальных антенн работает большое количество специалистов по всему миру. Приступая к проектированию похожей антенной системы необходимо изучить основные тенденции и полученные результаты исследований, проведенных другими авторами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Драбкин А.Л., Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г.. Антенно-фидерные устройства. - М.: Сов. радио, 1974.
2. В.С. Филиппов, Л. И. Пономарев, А. Ю. Гринев и др.// Под ред. Д. И. Воскресенского. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1994.
3. Д.И. Воскресенский, В. Л. Гостюхин, В.М. Максимов, Л. И. Пономарев // Под ред. Д. И. Воскресенского. Антенны и устройства СВЧ: Учебник для вузов. - М.: Радиотехника, 2006.
4. Кочегаров, И.И. Алгоритм прямого перебора с применением теории графов для прогнозирования отказов сложных РЭС / И.И. Кочегаров, В.В. Стюхин // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 130-131.
5. Меркульев, А.Ю. Программные комплексы и системы проектирования печатных плат / А.Ю. Меркульев, Ю.А. Сивагина, И.И. Кочегаров, В.Я. Баннов, Н.К. Юрков // Современные информационные технологии. 2014. № 19. С. 119-128.
6. Кочегаров, И.И. Развитие систем изучения микроконтроллеров и ПЛИС / И.И. Кочегаров, В.А. Трусов // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2008. Т. 2. С. 166-167.
7. Grishko, A.K. Dynamic analysis and optimization of parameter control of radio systems in conditions of interference / Grishko A.K., Goryachev N.V., Kochegarov I.I., Yurkov N.K. // 2016 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2016 - Proceedings 2016. С. 7491674.
8. Кочегаров, И.И. Системы удалённого рабочего стола при работе с конструкторскими САПР / И.И. Кочегаров, В.А. Трусов //Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2009. Т. 2. С. 406407.
УДК 621.3
Бормотин С.О., Юдин А.А., Севцов И.А., Тюрин С.А., Жумашев Н.Г.
гФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия 2Военный институт сил воздушной обороны, Астана, Казахстан
СИСТЕМА ПРОВОДНОГО ПИТАНИЯ ДЛЯ МУЛЬТИКОПТЕРА
Ключевые слова:
мультикоптер, проводное питание, летательный аппарат, импульсный преобразователь
Актуальность
На сегодняшний момент времени с появлением в свободном доступе беспилотников любого класса резко повышается требования к безопасности энергетически важных объектов, таких как атомные электростанции, энергетические коммуникации.
Так же появляются задачи контроля чрезвычайных ситуаций (пожаров, наводнений). Особая актуальность приобретает контроль безопасности с учетом возможности беспилотных террористических воздействий беспилотной авиации. Для контроля дан-
