CC BY
9ТЕХНИКА СРЕДСТВ СВЯЗИ, № 4 (144)), 2018
А.С. Ломакова
ПАО «Интелтех»
С.В. Русин
кандидат технических наук, ПАО «Интелтех»
Ю.В. Савенкова
ПАО «Интелтех»
ВОЗМОЖНОСТИ МИНИАТЮРИЗАЦИИ АНТЕННЫ ПРИВОДНОЙ РАДИОСТАНЦИИ
АННОТАЦИЯ. В статье анализируется влияние габаритов антенны приводной радиостанции на ее КПД и величину предельно достижимой полосы согласования с передатчиком. Приведены результаты расчета параметров миниатюрной конформной антенны. Сделан вывод о возможности и целесообразности разработки и использования миниатюрной антенны в составе радионавигационного комплекса авианесущего корабля.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: габариты, добротность, полоса согласования, КПД.
Приводная радиостанция авианесущего корабля традиционно оборудуется Т-образной антенной, которую устанавливают между мачтами корабля, или антенной «Наклонный луч», для которой также используется мачта в качестве опоры. Обе антенны имеют большие габариты и ухудшают радиолокационную заметность корабля. На кораблях, построенных по технологии «Стелс» установка подобных антенн невозможна. Менее эффективная антенна «Кольцо» может быть размещена на корме с внешней стороны борта. Плоское полотно антенны «Кольцо» расположено горизонтально и менее заметно для радиолокационных средств. Но из-за низкого расположения антенны над водой резко сокращается расстояние прямой видимости между кораблем и летательным аппаратом и, кроме того, антенна подвержена обледенению и непосредственному воздействию морской воды. Размещение такой антенны на уровне палубных надстроек невозможно, так как полотно антенны окажет экранирующее действие на другие радиотехнические системы. Альтернативой этим антеннам могла бы стать малогабаритная конформная антенна, интегрированная в конструкцию корабля, или, по крайней мере, органично вписанная в профиль корабля и удовлетворяющая требованиям технологии «Стелс».
При уменьшении габаритов антенны уменьшается полоса согласования с передатчиком. Увеличить полосу согласования можно уменьшив КПД антенны. А уменьшение КПД антенны уменьшает дальность действия приводной радиостанции. Три важных параметра антенны: габариты, полоса согласования и КПД тесно связаны, улучшение одного из этих параметров может быть достигнуто за счет ухудшения двух других. При проектировании конформной антенны необходимо предварительно оценить, можно ли в заданных габаритах достичь удовлетворительных параметров антенны. Авторами выполнен анализ предельно достижимых электрических параметров антенны заданного объема.
Приводная радиостанция мощностью = = 400 Вт является элементом радионавигационного комплекса, предназначенного для вывода самолета на аэродром посадки, обеспечения предпосадочного маневра и выполнения захода на посадку. Кроме приводной радиостанции, в состав комплекса входит бортовой автоматический радиокомпас, который находится на борту летательного аппарата. Радионавигационный комплекс должен обеспечивать полеты по трассам на высоте 1 км на дальностях 150 км.
МЕАП ОБ СОММИШСАТЮМ ЕСДЯРМЕШ: Iss. 4 (144). 2018
Диапазон рабочих частот: 190 ... 1750 кГц. Режим работы: телефонный, незатухающие колебания. Ширина полосы приемника радиокомпаса составляет около 0,6 кГц, тогда как сигнал приводной радиостанции занимает полосу частот около 2 кГц. Мощность сигнала (Р2) на входе приемника должна быть в 10 раз больше мощности шума.
Будем полагать, что для размещения антенны приводной радиостанции на корабле предоставлено небольшое место размером 0,5x2, 2x3, 4 м, расположенное на высоте 4 м от морской поверхности. Следует рассчитать предельно достижимые параметры передающей антенны заданного объема, и оценить возможности антенны по обеспечению требуемых характеристик радионавигационного комплекса.
Также предусмотрим, что на трассе «корабль — летательный аппарат» имеется два разнородных участка: сухопутный и морской. Один из этих участков может быть значительно больше другого. Почва на сухопутном участке может быть различной влажности: от очень сухой до очень влажной, а вода на морском участке может быть слабой или средней солености, а также может быть покрыта сплошным льдом.
При нормальной рефракции самолет на высоте 1 км будет находиться в зоне полутени. Поэтому множитель ослабления вычислен по формуле Фока [1]:
F = 2у[лх
еШ* ¿2 ( + У1) ¿2 ( + У2)
1=1+ Я2 ¿2 ) ¿2 & )
, (1)
где х = — — относительное расстояние, к к
У1 = —, У2 =— — относительные высоты Н Н
антенн,
L =
Л 2 V/3 ка
V п у
, м — масштаб расстояний,
Н = 1 2
Я = 13
ак
Л1/3
м — масштаб высот,
Vя у
к -160кст
- параметр, учитываю-
щий полупроводящие свойства поверхности Земли,
,2п
Н2 (1К/П-1 1/2н(2)
1/3
213/2 3
— функция
Эйри, выраженная через функцию Ханкеля второго рода порядка 1/3,
— корни уравнения Н2()- (1 ) = 0.
В диапазоне 190 ... 1750 кГц достаточно ограничится пятью членами ряда (1) [2].
Напряженность поля естественных и промышленных помех на крайних частотах диапазона в полосе приема найдена по графикам, в соответствии с Рекомендацией МСЭ^ Р. 372— 10 (10/2009) «Радиошум» [3], а мощность шума на входе приемника рассчитана с учетом коэффициента направленного действия (КНД) = 3) антенны авиационного радиокомпаса [4].
Антенна приводной радиостанции — это ненаправленная или слабонаправленная антенна ^ » 1). Из уравнения радиопередачи [4] можно найти минимально допустимый КПД (тц ) передающего антенно-фидерного тракта, при котором будет обеспечиваться 10-кратное превышение мощности сигнала над мощностью помех:
2
4пг
Р =п PlDlD2nln2ZZ -:—I , (2)
где -1 — коэффициенты согласования по
сопротивлению передающей антенны с линией передачи и по поляризации приемной антенны с принимаемым сигналом, п2 — КПД приемного антенного тракта, г — расстояние между корреспондентами.
По найденной величине минимально допустимого КПД можно найти полосу согласования антенны, помещенной в отведенный объем.
Добротность идеальной (без потерь) антенны вписанной в сферу радиуса «а» определяется выражением [5]:
Ql =
1
(а)
1
Т +-
3 ka
(3)
где k = 2п/к — волновое число.
Известно, также, что добротность антенны без потерь:
а = 2%, (4) где X — реактивная часть импеданса, — сопротивление излучения.
X
ТЕХНИКА СРЕДСТВ СВЯЗИ, № 4 (144), 2018
По изложенной методике вычислены минимально допустимый КПД (Птт) и предельно постижимая полоса согласования антенны, габариты которой не превышают размеров выделенного для нее места. Минимально допустимый КПД антенны вычислен при различных условиях эксплуатации радионавигационного комплекса: в условиях умеренных помех (днем) и сильных помех (ночью), на трассах со значительным преобладанием морской поверхности или сухопутного участка с почвой различной влажности.
Результаты расчетов полосы согласования (2А/ на крайних частотах рабочего диапазона (/1 = 190 кГц, /2 = 1750 кГц) приведены в табл. 1 и 2.
Из результатов расчетов следует, что места выделенного для размещения антенны приводной радиостанции будет недостаточно. Антенна в заданных габаритах может обеспечить работу радионавигационного комплекса в условиях умеренного уровня помех (днем). В условиях высокого уровня помех (ночью) на верхней частоте рабочего диапазона и при преобладании на трассе сухой почвы или почвы
Таблица 1
Полоса согласования в условиях невысокого уровня помех (днем)
Среда Параметры почвы /1 / 2
е ст Лтт 2А/ Лтт 2А/
Морская вода слабой солености 80 1 1.56-10-5 6.37-10-3 8.94-10-8 7.96-109
Влажная почва 30 10-2 5.08-10-6 1.96-10-4 9.01-10-5 7.9-106
Почва средней влажности 15 10-3 1.67-10-4 594.78 3.33-10-3 2.14-105
Сухая почва 7 3-10-4 2.92-10-3 34.041 0.019 3.78-104
Таблица 2
Полоса согласования в условиях высокого уровня помех (ночью)
Среда Параметры почвы /1 / 2
е ст Лтт 2А/ Лтт 2А/
Морская вода слабой солености 80 1 0.017 5.75 5.59-10-5 1.27-107
Влажная почва 30 10-2 5.63-10-3 17.66 0.056 1.26-104
Почва средней влажности 15 10-3 0.185 0.537 2.082 341.78
Сухая почва 7 3-10-4 3.236 0.031 11.79 60.332
Двойка в знаменателе введена для учета трансформированного к антенне выходного сопротивления передатчика (по условию согласования).
Добротность антенны с потерями, равна:
Q = -т^—г, (5)
2 (п +
где RП — сопротивление потерь.
Известно также, что КПД антенны: Ry
КПД = --^ . (6)
(П+
Отсюда следует еще одно выражение для КПД КПД = £ . (7)
Полоса согласования (2А/) зависит от добротности £ антенны:
2А/ = £, (8)
где/ — центральная частота полосы согласования.
MEANS OF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 4 (144). 2018
средней влажности требуется большая мощность излучения. В соответствии с постановкой задачи такая мощность излучения достигается нереализуемо высоким КПД антенны. При высоком КПД невозможно обеспечить требуемую полосу согласования с передатчиком (2 кГц). По расчетам полоса согласования составляет всего лишь 60 Гц или 341,78 Гц, соответственно (табл. 2).
Выводы. При анализе предельно достижимых параметров малогабаритной антенны приводной станции найдено, что в заданных по условию задачи габаритах (0,5x2,2x3,4 м) невозможно реализовать параметры антенны, которые обеспечили бы требуемую дальность приводной станции в условиях сильных помех на трассах с сухой почвой и почвой средней влажности.
Для обеспечения требуемых параметров следует увеличить размеры места предназначенного для размещения антенны и повторить анализ
с учетом наихудших условий функционирования радионавигационного комплекса.
Из результатов расчетов следует также, что миниатюризация антенны приводной радиостанции не только желательна, но и возможна. Для этого вполне достаточно небольшого объема на палубной надстройке корабля.
Полученные результаты подтверждены результатами трассовых испытаний макетного образца малогабаритной антенны емкостного типа, которая имеет такие же размеры, какие указаны в исходных данных для расчетов. Макетный образец разработан, изготовлен и испытан ОАО«Научно-производственное предприятие «Авиационная и Морская Электроника» (ОАО «НПП «АМЭ», Санкт-Петербург).
Такой анализ электрических параметров малогабаритных конформных антенн может применяться на этапе проектирования радиотехнических комплексов интегрированных в конструкцию корабля.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фок В. А. Поле от вертикального и горизонтального диполя, приподнятого над поверхностью Земли. // «ЖЭТф»,Т. 19, 1949, № 10, 916 с.
2. Долуханов М. П. Распространение радиоволн. Учебник для вузов. М.: Связь, 1972. — 336 с.
3. Рекомендацией МСЭ^ Р.372-10 (10/2009) «Радиошум».
4. Серков В. П. Распространение радиоволн и антенные устройства. Л.: ВАС, 1981. 468 с.
5. McLean J. S. A re-examination of the fundamental limits on the radiation Q of the electrically small antennas // IEEE Trans. Antennas and Prop. — 1996. — Vol. 44, № 5. — P. 672-676.
