CC BY
170
УДК 621.396.663
РАЗРАБОТКА ПЕЛЕНГАЦИОННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ, РАСПОЛОЖЕННОЙ НА БОРТУ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
И.С. Бобылкин, А.В. Муратов, Л.А. Носова, А.С. Самодуров
Предлагается использовать антенную решетку, состоящую из девяти вертикальных вибраторов в качестве мобильной пеленгационной. Размещение малоразмерной решетки возможно, например, на беспилотных летательных аппаратах. Представлена 3D модель такого аппарата с антенной решеткой, проведен анализ пеленгационных характеристик
Ключевые слова: вибратор, антенная решетка, беспилотный летательный аппарат
Подъем антенной решетки радиопеленгации и радиомониторинга на некоторую высоту способен значительно расширить зону охвата комплекса специальной радиоаппаратуры. Бортовое размещение таких комплексов на летательных аппаратах является уже вполне привычным [1, 2, 3].
В последнее время в связи с постоянным стремлением к малой радиолокационной заметности и скрытности особенно бурное развитие испытывают технологии построения беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Отказ от использования человека в качестве пилота дает возможность разместить на борту больше аппаратуры или вооружения или же значительно уменьшить размеры летательного аппарата. В прессе появляются сообщения о применении таких сверхмалых БЛА [4].
Предлагается применение квадрокоптера в качестве носителя пеленгационной антенной решетки (рис. 1), предназначенной для приема сигналов вертикальной поляризации. Для проверки этой возможности была построена трехмерная модель (рис. 2) и проанализирована адекватность построения, а так же возможность ее применения для анализа пеленгационных характеристик.
Рис. 1. 9-ти элементная антенная решетка
Преимуществами малых беспилотных летательных аппаратов помимо малой заметности являются надежность и простота конструкции, большая стабильность, компактность и маневренность, малая взлетная масса при существенной массе полезной нагрузки [5, 6].
Корпус модели квадрокоптера представляет собой полую коробку управления с электроникой внутри шириной 80 мм и высотой 30 мм, 4 несущие штанги винтов диаметром 10 мм, выходящие из него, диаметр самих винтов 150 мм, общий размер носителя в поперечнике - чуть менее 450 мм [7]. 9 одинаковых вертикальных полуволновых вибраторов длиной 100 мм образуют антенную решетку, которая находится снизу от корпуса с зазором 1 мм. Ее диаметр составляет 200 мм. Вибраторы нагружены на сопротивления 1000 Ом, имитирующие высокоомные входные каскады.
Рис. 2. 3D модель БЛА с антенной решеткой
В центральной части БЛА размещают контроллер, батареи и полезную нагрузку, например, видеокамеру или антенную решетку. По радиусу от центра на балках устанавливаются микроэлектродвигатели с несущими винтами, которые образуют крестообразную конструкцию аппарата.
На рис. 3 приведены зависимости «восстановленного» сопротивления нагрузочных резисторов от частоты плоской электромагнитной волны, которой облучается система. Сопротивления восстановлены из наведенных на вибраторах токов и напряжений. Расчет показывает корректность проведенного моделирования, так сказать сходимость задачи. Видно, что погрешность восстановления сопротивления, а значит и
Бобылкин Игорь Сергеевич - ВГТУ, канд. техн. наук, ст.
преподаватель, e-mail: [email protected]
Муратов Александр Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук,
профессор, e-mail: [email protected]
Носова Лилия Андреевна - ВГТУ, студент, e-mail:
Самодуров Александр Сергеевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]
погрешность расчетов не превышает 5% вплоть до частоты 500МГц. Следовательно, в первом приближении модель вполне применима для оценки влияния корпуса носителя, например в гражданском диапазоне 433МГц.
R, Ом
1
Ч *Ч "'--.Т^
N4 ix>4—L ~ ч 4v X X "■■■■ - —■■"■Ч [\ \
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
/, МГц
Рис. 3. Зависимости «восстановленного» сопротивления от частоты
Построенные частотные зависимости фаз напряжений на резисторах нагрузки вибраторов антенной решетки, базируемой на летательном аппарате, являются практически линейными, рис. 4.
р
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
/, МГц
Рис. 4. Частотные зависимости фаз напряжений на резисторах нагрузки вибраторов пеленгаторной антенной решетки, вычисленные с учетом влияния рассеянного носителем поля для азимутального угла падения волны
Фири = °°
Данное обстоятельство существенно упрощает процедуру интерполяции угло-частотных зависимостей фаз напряжений на выходах высокоомных буферных каскадов в низкочастотной
области функционирования радиопеленгаторного комплекса, т.к. для их аналитического описания в подавляющей части области частот f < 1.5 ГГц достаточно для каждой из 9 представленных выше ломаных линий определить координаты всего лишь 6-9 точек (для фиксированного значения угла падения волны срири = const).
На рис. 5 приведены частотные зависимости значений пеленгов источников радиоизлучения, вычисленных с учетом влияния рассеянного носителем поля для азимутальных углов падения волны Ф=20°, Ф=40°, Ф=60°, Ф=80°, ф=110°, ф=130°, Ф=150°, ф=170°. На удивление частотные зависимости являются довольно гладкими даже на высоких частотах, где должна сказываться некорректность модели.
р
'''
t
1
(
1000 1200 1400 1600 1800 2000
/, МГц
Рис. 5. Частотные зависимости значений пеленгов источников радиоизлучения, вычисленных с учетом влияния рассеянного носителем поля для азимутальных углов падения волны <р=20°, ф=40°, ф=60°, ф=80°, ф=110°, Ф=130°, ф=150°, ф=170°
На рис. 6 приведены частотные зависимости ошибок пеленгования источников радиоизлучения, вычисленных с учетом влияния рассеянного носителем поля для азимутальных углов падения волны Ф=20°, ф=40°, ф=60°, ф=80°, ф=110°, ф=130°, ф=150°, ф=170°.
О
110
и
v 0
2
1
0 -1 -2 -3 -4 -5 "б
-9
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
f, МГц
Рис. 6. Частотные зависимости ошибок пеленгования источников радиоизлучения, вычисленных с учетом влияния рассеянного носителем поля для азимутальных углов падения волны <р=20°, <р=40°, <р=60°, <р=80°, <р=110°, Ф=130°, ф=150°, ф=170°
Вплоть до частот ниже 150 МГц для всех углов прихода волны ошибка пеленга не превышает 2 градусов. Как можно видеть из рис. 3, 4 на этих частотах расчет еще является корректным. В области частот ниже 50 МГц расчет уже не корректен, в подтверждение этого наблюдается как аномальный рост ошибок пеленгации, так и уменьшение для одного из углов. Интересно, что в основном наблюдаются отрицательные ошибки. В целом можно сказать, что БЛА такой конструкции оказывает слабое влияние на предлагаемую антенную решетку на заданных частотах и вполне может быть применен в качества носителя.
Квадрокоптеры имеют большой спрос среди авиамоделистов, но также находят свое применение и в профессиональной сфере, например, полиции или армии [8, 9, 10]. Уже были замечены квадрокоптеры, доставляющие почту адресату, их применяют для панорамных съемок важных мероприятий. Развитие и усовершенствование технологий изготовления позволит увеличить сферу их применения.
Воронежский государственный технический университет
Литература
1. Самодуров А.С. Разработка элементов программного комплекса анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования [Текст] / А.С. Самодуров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 7. 1. - С. 122 - 125.
2. Ашихмин А.В. Обоснование возможности использования упрощенной электродинамической модели самолета в виде совокупности конуса и цилиндра [Текст] / А.В. Ашихмин, К.А. Разинкин, А.С. Самодуров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005. - Т. 1. - № 11. - С. 34 - 39.
3. Ашихмин А.В. Численный анализ пеленгационных характеристик кольцевой вибраторной антенной решетки, установленной на борту самолета [Текст] / А.В. Ашихмин, К.А. Разинкин, А.С. Самодуров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005. - Т. 1. - № 11. - С. 154 - 159.
4. Квадрокоптер с радиопеленгатором [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://egofree.ru/kvadrokopter-s-radiopelengatorom
5. Белоцерковский, Т.В. Система управления БПЛА для полета на малых высотах [Электронный ресурс] / Т.В. Белоцерковский // Национальный технический университет Украины. Режим доступа: http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2013/fkita/perebeinos/li brary/artide6. htm.
6. Thae Su Aye Development of unmanned aerial vehicle manual control system [Текст] / Thae Su Aye, Pan Thu Tun, Zaw Min Naing, Yin Mon Myint // World Academy of Science, Engineering and Technology. 2008. - № 42.
7. Самодуров А.С. 3D модель квадрокоптера [Текст] / А.С. Самодуров, Л.А. Носова // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. Сб. науч. тр. — Воронеж: ВГТУ, 2014. — С. 127-133.
8. Павлушенко М. Беспилотные летательные аппараты: история, применение, угроза распространения и перспективы развития [Текст] / М. Павлушенко, Г. Евстафьев, И. Макаренко. — М.: Права человека, 2005.— 611 с.
9. ВикипедиЯ - свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://ru.wikipedia.org/wiki/Мультикоптер.
10. Электронный каталог The first helicopter [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://firsthelicopter. ru/.
DEVELOPMENT OF A DIRECTION-FINDING ANTENNA ARRAY LOCATED ON-BOARD
OF THE UNMANNED AERIAL VEHICLE
I.S. Bobylkin, A.V. Muratov, L.A. Nosova, A.S. Samodurov
It is proposed to use an antenna array consisting of nine vertical dipoles as the mobile direction-finding. Placement of small lattice is possible on unmanned aerial vehicles. A 3D model of the device with the antenna array, the analysis of the direction-finding characteristics is presented
Key words: dipole, antenna array, unmanned aircraft
