Приемо-передающие антенны

Антенной называется радиотехническое устройство, служащее для излучения электромагнитных волн в пространство или для приема электромагнитных волн из пространства. Одной из наиболее важных характеристик антенны является диаграмма направленности - графическое изображение зависимости интенсивности электромагнитных волн от углов и (угол измеряется в горизонтальной плоскости, угол - в вертикальной плоскости, и оба угла, как правило, отсчитываются от направления главного максимума диаграммы направленности).

Традиционно все антенны делятся на передающие и приемные. Передающей называется антенна, излучающая электромагнитное поле в пространство (закон изменения данного поля во времени задается законом изменения радиочастотного возбуждающего тока, подводимого ко входу антенны). В этом случае под диаграммой направленности понимается зависимость мощности электромагнитного поля, излучаемого антенной в данном (то есть, для конкретных значений углов и ) направлении, от величин углов и из диапазона 0...360 градусов.

Приемной называется антенна, принимающая электромагнитное поле из пространства (закон изменения этого поля во времени обуславливает собой закон изменения выходного наведенного в антенне тока). В этом случае под диаграммой направленности понимается зависимость мощности электромагнитного поля, принятого антенной с данного (то есть при конкретном значении углов и ) направления, от величин углов и из диапазона 0...360 градусов. При условии, что источник, обладающий постоянной мощностью излучения (), при всех значениях и располагается на одном и том же расстоянии ().

Во многих современных авиационных радиосистемах одна и та же антенна выполняет функции как излучения, так и приема электромагнитного поля, то есть является приемо-передающей антенной. При этом в подавляющем большинстве случаев передающая и приемная диаграммы направленности совпадают.

Другим важным фактором, определяющим форму диаграммы направленности антенн для радиосистем связи, является практическое соображение, что самолет, находящийся в полете, может быть ориентирован относительно наземного пункта (и тем более относительно второго самолета) произвольным образом. Поэтому для приема радиосигналов с любого направления антенна радиосистемы связи должна быть (по крайней мере, в горизонтальной плоскости) всенаправленной.

Наиболее простой антенной, удовлетворяющей требованию всенаправленности, является штыревая антенна. Она представляет собой металлический прут сравнительно небольшой (0,5...2,5 м) длины. Пространственная диаграмма направленности штыревой антенны представляет собой (в идеальном случае) вырожденный (с нулевым внутренним диаметром) тор. Это означает, что сечения (рис. 2.20) такого тора имеют форму «восьмерки» в вертикальной плоскости (в плоскости расположения штыря) и окружности – в горизонтальной плоскости (в плоскости, перпендикулярной штырю).

В реальных случаях диаграмма направленности излучающей системы, в составе которой имеется штыревая антенна, может сильно отличаться от тороидальной. Это объясняется тем, что вблизи штыревой антенны могут оказаться иные объекты, которые отражают, а затем переизлучают свои (вторичные) электромагнитные поля, и те, интерферируя с первичным (созданным штыревой антенной) электромагнитным полем, формируют итоговое электромагнитное поле достаточно сложной формы. Именно так, в частности, обстоит дело со штыревой антенной, устанавливаемой на самолете – под влиянием первичного (со штыревой антенны) излучения в металлической обшивке корпуса самолета начинают возникать токи проводимости, которые создают вторичное излучение, накладывающееся на первичное, и в этом случае следует говорить уже не о диаграмме направленности штыревой антенны, а о диаграмме направленности излучающей системы – «штыревая антенна – самолет».

Рассмотрим, в качестве примера, ситуацию, когда штыревая антенна установлена на передней кромке самолетного киля; тогда:

- в идеальном случае (рис. 2.21, а), когда самолет отсутствует, итоговая диаграмма направленности имеет форму тора («восьмерка» в сечении вертикальной плоскостью);

- в случае (рис. 2.21, б), когда излучение ведется на средних волнах, длины (0,1...1 км) которых значительно превышают размеры самолета, то наведенные в металлической обшивке корпуса токи практически совпадают по фазе с токами, протекающими в штыревой антенне, и поэтому интерференционные явления практически не наблюдаются (система «штыревая антенна – самолет» имеет практически единый центр излучения); искажения тороидальной диаграммы направленности здесь минимальны;

- в случае (рис. 2.21, в), когда излучение ведется на коротких волнах, чьи длины (10...100 м) соизмеримы с размерами самолета, то протекающие по антенне и по корпусу токи имеют разные фазы (корпус с токами и антенну можно рассматривать как два разнесенных в пространстве источника излучения), и создаваемые ими электромагнитные поля начинают интерферировать; тороидальная диаграмма направленности здесь искажается (иногда – довольно существенно);

- в случае(рис. 2.21, г), когда излучение ведется в ультракоротковолновом диапазоне, и длины (менее 10 м) волн не превышают размеров самолета или его элементов, то итоговая диаграмма направленности оказывается достаточно изрезанной (обладает многолепестковой структурой с глубокими провалами). Учитывая тот факт, что подача излучаемого радиочастотного радиосигнала производится именно в антенну, а не на корпус самолета, антенну нередко называют возбудителем электромагнитного излучения, исходящего от системы «антенна – самолет».

Сказанное означает, что для эффективного ведения бортовой радиосвязи следует, помимо выбора длины волны, еще и отыскивать оптимальное местонахождение антенны на самолете. Поиск места установки антенны оказывается тем более важным, что итоговую интенсивность излучаемого электромагнитного поля определяет не первичное излучение антенны, а именно вторичное излучение корпуса, и антенна должна быть расположена в таком месте корпуса, где ее возбуждающее действие окажется максимальным. В качестве отдельных рекомендаций по выбору места установки самолетной антенны могут быть указаны следующие соображения:

- установку антенн следует производить в местах наибольшей концентрации токов (например, на верхушке киля);

- если требуется получить направленное излучение, антенну необходимо устанавливать в местах с максимально-возможным радиусом кривизны (в частности, для излучения вертикально – вниз антенну следует расположить на днище фюзеляжа);

- чтобы отсутствовал эффект затенения (в случае излучения электромагнитных волн с длинами короче нескольких дециметров), надо располагать антенны в местах, где отсутствуют резко выступающие элементы корпуса самолета, (которые могут загородить наземную приемо-передающую антенну от самолетной).

- на вертолете, когда рабочая зона ограничена сверху (вращающимися лопастями) и снизу (близкой земной поверхностью), антенны дальней радиосвязи следует устанавливать на боковых сторонах (на обшивке) фюзеляжа.

Рассмотрим наиболее типичные самолетные антенны, используемые в радиосистемах дальней и близкой радиосвязи.

А. Самолетные антенны радиосистем дальней связи.

В данный класс антенн входят:

- проволочные антенны;

- антенны верхнего питания;

- шлейфовые антенны;

- пазовые (только для коротковолнового диапазона) антенн.

Приведем примеры антенн из каждого указанного подразделения.

1. Проволочные антенны.

Традиционное расположение – вне фюзеляжа (поэтому из-за наличия аэродинамического сопротивления они применяются на нескоростных самолетах); натягиваются между верхней частью самолетного киля и мачтой в носовой части фюзеляжа. Наиболее часто используемые профили - Г и Т – образные (рис. 2.22).

Рабочая часть антенны, имеющая длину 14…30м, изготовленная из биметаллического (диаметром 2мм), стального (диаметром 2,5мм) или проводного троса и отделенная от амортизационных растяжек подвесными орешковыми, стеклотканевыми или фарфоровыми изоляторами, запитывается (для излучения) фидером, который пропускается сквозь обшивку корпуса и отделяется от обшивки с помощью проходных изоляторов. Проволочные антенны аналогичной конструкции используется также на вертолетах (рис. 2.23). В вертолетных антеннах кабель (фидер) питания проходит внутри мачты переднего крепления антенны.

К числу проволочных могут быть отнесены также выпускные (рис. 2.24) антенны, обычно выполняющие сигнальные (оповещение о прибытии, сообщение об аварии, и т.п.) функции. Такие антенны представляют собой омедненный стальной тросик (диаметром 1…1,5мм и длиной до 80м), выпускаемый в полете сквозь небольшой люк, а при посадке убираемый с помощью специальной лебедки.

Достоинствами проволочных антенн являются: простота конструкции, малый вес, отсутствие необходимости ослабления прочности корпуса при установке этих антенн на самолет.

Основным недостатком проволочных антенн является внесение дополнительного аэродинамического сопротивления при полете самолета, что ведет к повышению энергетических затрат на выполнение полета. Например, преодоление сопротивления мачты крепления высотой 0,3м на самолете, летящем со скоростью 960км/час, требует повышения мощности двигателя на 150кВт (200л.с.).

2. Антенны верхнего питания.

Антеннами верхнего питания называются такие конструкции, в которых возбудитель (элемент, который соединен фидером с приемо-передающим устройством) расположен дальше (чаще всего – выше) прочих узлов системы «самолет-антенна», считая от геометрического центра самолета. Так, например, штыревая антенна (рис. 2.25), установленная на законцовке киля самолета и отделенная изолятором от металлической обшивки, может считаться антенной верхнего питания.

Однако, в большинстве практических случаев термин «антенна верхнего питания» относится не к выступающим, а к утопленным (невыступающим) под обшивкой самолета антеннам. В таком случае возбудителем является небольшая часть конструкции самого самолета, изолированная от корпуса – такой частью конструкции может стать, например, законцовка крыла, стабилизатора или фюзеляжа, но наиболее часто в качестве возбудителя для антенны верхнего питания выступает законцовка киля (рис. 2.26).

Использование законцовки киля объясняется не только высокой (раз в 10 больше, чем на неискривленных частях фюзеляжа) концентрацией электрических зарядов, но и получением в этом случае достаточно хорошей («восьмерка» в вертикальной плоскости) диаграммы направленности системы «самолет-антенна». Другим достоинством является отсутствие аэродинамических потерь, что позволяет применять антенны данного типа на скоростных самолетах.

Недостаток невыступающих антенн верхнего питания связан с необходимостью введения в самолет дополнительных усиливающих элементов для сохранения (установка данной антенны требует нарушения целостности силовых элементов конструкции) прочностных свойств, что приводит к увеличению массы самолета.

3. Шлейфовые антенны.

Рабочей частью шлейфовых антенн является шлейф – проводник (например, посеребренная латунная трубка диаметром около 10мм), расположенный вблизи поверхности корпуса самолета. При этом один конец шлейфа, отделенного от корпуса диэлектрической прокладкой, соединен с фидером, а второй конец – с корпусом самолета. Длина шлейфа может составлять несколько метров.

Шлейфы бывают маловыступающими (располагаются на расстояниях 10…20см от обшивки самолета) и невыступающими (утоплены в специальных углублениях корпуса, которые для сохранения аэродинамического качества закрыты диэлектрическими крышками, выполненными, например, из стеклоткани).

Маловыступающие (рис.2.27) шлейфы обычно располагаются параллельно продольной оси самолета на фюзеляже в его передней части или у основания киля (в этом случае возбудителем является металлизированная верхняя кромка форкиля).

Невыступающие (рис. 2.28) шлейфы обычно находятся в передних кромках крыльев и киля.

Достоинством шлейфовых антенн является их ненаправленность. Используются, в основном, в коротковолновом диапазоне.

4. Пазовые антенны.

Пазом называется вырез (рис. 2.29) в корпусе самолета, заполненный диэлектриком (например, пенистым полистиролом). Если внутри указанного диэлектрика разместить шлейф (металлический проводник) и возбудить этот шлейф высокочастотным (рабочая длина волны должна быть значительно больше, чем длина выреза паза) радиосигналом, подаваемым от фидера, то в пазу возникает высокочастотное электромагнитное поле, которое приведет к появлению токов в корпусе и далее к возбуждению элементов самолета. Система «самолет-антенна» начнет излучать в пространство электромагнитную энергию.

Традиционные места (рис. 2.30) расположения пазов - в основаниях крыльев, киля или форкиля. Поскольку пазовые антенны чрезвычайно широко применяются на скоростных самолетах, то кожухи, закрывающие паз снаружи, выполняются из механически-прочного диэлектрика (например, из стекловолокна). При этом, если излучаемые мощности составляют сотни ватт, то на располагающихся в пазе элементах возникают большие (около 1кВ) напряжения, и на высотах полета более 15км могут произойти коронные разряды – поэтому паз герметизируют.

Пазовые антенны являются ненаправленными и используются исключительно в коротковолновом диапазоне.

Б. Самолетные антенны радиосистем ближней связи.

В данный класс антенн входят:

- штыревые антенны;

- печатные антенны;

- поверхностные антенны.

Отметим, что поскольку ближняя радиосвязь ведется в ультракоротковолновом диапазоне, то длины (до 10м) волн излучаемых колебаний оказываются меньше, чем размеры самолета и его элементов. Это означает, что первичные (возбуждаемые в антенне) и вторичные (наводимые в корпусе) излучения могут оказаться в противофазе – в этом случае итоговая диаграмма направленности будет иметь минимум для соответствующих значений углов и . Данное явление противофазности обусловливает сильную изрезанность (частое чередование максимумов и минимумов) итоговой диаграммы направленности.

Одним из способов создания итоговой диаграммы направленности с приемлемой равномерностью в горизонтальной плоскости является размещение антенн ближней радиосвязи в том месте, где мешающее действие самолетных элементов оказывается минимальным, а именно, на киле самолета.

Другой способ обеспечения приемлемой равномерности итоговой диаграммы направленности заключается в использовании не одной, а двух антенн (рис. 2.31), совместное действие которых снижает интерференционные эффекты.

Следует отметить, что в ультракоротковолновом диапазоне открытые проводные линии, по которым передается радиосигнал, начинают излучать электромагнитную энергию в окружающее пространство, что приводит как к потере энергии передаваемого радиосигнала, так и к созданию излучений, мешающих работе других радиосистем. Поэтому для передачи радиосигналов с длинами волн короче 3м используются фидеры закрытого (неизлучающего) типа, а именно, коаксиальные (концентрические) кабели (рис. 2.32), в которых пересылаемая энергия сосредоточена между внутренним проводом и металлической оплеткой.

Приведем примеры самолетных антенн для радиосистем ближней связи.

1. Штыревые антенны.

Конструктивно такая антенна представляет собой штырь (рис. 2.33) длиной около , которому для снижения аэродинамического сопротивления придана обтекаемая форма и который состоит из двух частей: «земляной» проводник фидера, то есть внешняя оплетка коаксиального кабеля, электрически соединенного с корпусом самолета, и возбудитель (который контактирует с другим проводником фидера, то есть с внутренним проводом коаксиального кабеля), изолированный с помощью диэлектрической (текстолитовой) втулки от самолетного корпуса. При такой схеме электрического питания штыря высокочастотные токи расходятся как по поверхностям основания антенны и корпуса самолета, так и вдоль возбудителя, формируя итоговую диаграмму направленности системы «антенна-самолет».

Такие антенны имеют высокую механическую прочность, (толщина поперечного сечения антенны составляет 20мм) и устанавливаются на скоростных самолетах. Масса этих антенн находится в пределах 0,5…1,5кГ. Угол наклона штыревой антенны не должен превышать , так как при его увеличении падают действующая высота антенны и излучаемая мощность: так, уже на границе этого диапазона углов, при наклоне , мощность уменьшается примерно на 15%.

Вертолетные антенны радиосистем ближней связи имеют ту же конструкцию, что и самолетные антенны. Это обстоятельство связано с наличием тех же проблем, которые излагались для самолетных антенн, и главной из них является трудность (из-за наличия выступающих вертолетных элементов, размеры которых соизмеримы с длиной волны излучаемых колебаний и которые, следовательно, могут возбудить сильные резонансные токи в корпусе) создания круговой (в горизонтальной плоскости) диаграммы направленности. Поэтому рабочей зоной для выступающих антенн (рис. 2.34) является область, ограниченная сверху вращающимися лопастями, а снизу – близкой землей. Это означает, что радиосвязь данного вертолета с другими вертолетами, самолетами или наземными станциями осуществляется вдоль плоскостей вращения лопастей несущих винтов. В качестве примера могут быть названы следующие значения несущих частот: 249 МГц – в режиме приема, 303 МГц – в режиме передачи.

2. Печатные антенны.

Название этих антенн обусловлено тем, что при их изготовлении используются современные технологии печатного монтажа. Одна из таких антенн (в разрезе) представлена на рис. 2.35.

Излучателем данной антенны являются тонкие (толщиной около 0,12мм) проводящие слои (2 и 6) меди, нанесенные методом фольгирования на диэлектрические пластины (их толщина – около 3мм) 1 и 5. Медная полоска 3 соединяет внутренний провод 4 питающего коаксиального кабеля с элементом 2 излучателя. Металлическая оплетка коаксиального кабеля контактирует с проводящим основанием 7 и медными слоями 6. Будучи собрана и настроена, эта антенна покрывается специальным лаком и закрывается диэлектрическим обтекателем, который предохраняет антенну от механических и климатических воздействий. Размеры печатной антенны: высота – 0,3…0,4м, ширина – 0,13…0,16м.

К достоинствам печатной антенны следует отнести незначительное аэродинамическое сопротивление, компактность, малую массу, хорошую излучательную способность, небольшие потери и диапазонность.

3. Поверхностные антенны.

Особенностью поверхностных антенн является их практически нулевое аэродинамическое сопротивление. Эти антенны устанавливаются на законцовке киля самолета (если там отсутствует антенна дальней радиосвязи) или на хвостовых шайбах вертолета.

На рис. 2.36 показаны две поверхностные антенны, расположенные на законцовке самолетного киля.

Верхняя часть 1 киля выполнена из механически-прочного, радиопрозрачного диэлектрика (например, из формованного стеклотекстолита, пластмассы, авиационного шпона или стеклоткани).

Излучатель антенны создается путем металлизации отдельных участков этой части киля – в данном случае применяются наклеенные на диэлектрик медные сетки 2. Иногда данные сетки могут располагаться там же, на вершине киля, но находиться между слоями стеклоткани, пропитанными эпоксидной смолой. Высокочастотный радиосигнал подается к сеткам при помощи коаксиального кабеля 3, внутренний провод 4 которого соединен с этими сетками. Длина излучателя обычно выбирается несколько меньшей, чем . Если излучение ведется на частотах из диапазона 118…136МГц, то для исключения взаимного влияния антенн расстояние между излучателями выбирается не менее, чем 0,5м.

Достоинством поверхностных антенн являются их механическая прочность, вибростойкость и устойчивость характеристик по отношению к влиянию окружающей среды.

Особого рода вопросом является проблема молниезащиты. Дело в том, что киль самолета чрезвычайно (по сравнению с другими элементами) подвержен попаданиям молнии, и килевые антенны могут быть разрушены мощным током молниевого разряда. Чтобы предотвратить аварию, на верхней части (на диэлектрической вставке) киля устанавливается специальный молниезащитный экран (рис. 2.37). Этот экран 3, частично закрывающий излучатель 2 поверхностной антенны, состоит из двух слоев: внешнего (проводящего) и внутреннего (диэлектрического). Внешний слой соединен с молниезащитной шиной 4, которая проходит по передней кромке диэлектрической вставки 1 и замыкается на металлическое основание 5 киля. Внутренний слой отделяет излучатель 2 от внешнего (проводящего) слоя экрана 3. Ширина экрана на 10…15% больше ширины закрываемого излучателя, а расстояние от нижнего края экрана до верхней кромки киля составляет около 0,3 высоты излучателя – такое соотношение размеров обеспечивает достаточно малое искажение диаграммы направленности, незначительно смещая максимум в сторону задней полусферы.

В заключение, подводя итог всему сказанному выше о приемо-передающих антеннах радиосистем связи, отметим, что общим требованием является следующее – антенна обязана эффективно работать при любых режимах полета.

Данное требование должно выполняться также и в достаточно неблагоприятных условиях, а именно:

а) на больших высотах – когда резко ухудшаются изоляционные свойства воздуха, в результате чего уменьшается сопротивление между теми элементами антенны, к которым подводится высокое напряжение, и корпусом самолета; при этом появляется дополнительный ток проводимости, снижающий как полезный ток в антенне, так и излучаемую ею мощность, что ведет к снижению дальности действия радиосистемы;

б) при нагреве антенны (в случаях высокой скорости полета) – ухудшаются изоляционные свойства некоторых диэлектриков, отделяющих антенну от корпуса самолета, что в конечном итоге снижает излучаемую антенной мощность;

в) при обледенении антенны – возникает дополнительная механическая нагрузка на элементы антенны, что в итоге изменяет ее электрические характеристики;

г) при ионизации воздуха – наличие факела (вызывающего ионизацию) реактивного двигателя приводит к затуханию радиоволн на 3…5дБ, из-за чего эффективность килевых антенн на активном участке полета снижается.

В настоящее время разработчики антенн для радиосистем связи уделяют много внимания созданию не только антенных конструкций с улучшенными аэродинамическими свойствами, но и повышению их электрических характеристик, а также поиску материалов (в частности, синтетических), обладающих перспективными качественными показателями.

Глава 3.

Радиосистемы навигационно-пилотажного комплекса.

Общие положения.

Самолетовождение как совокупность действий экипажа и различных управляющих устройств непрерывно (в течение всего полета) решает, по сути дела, одну и ту же полетную задачу – выведение летательного аппарата в заданную точку пространства за расчетное время при фиксированных показателях качества.

Это положение в равной мере относится как к самолетам гражданской авиации, так и к самолетам военного назначения. При этом информацию о расположении данного самолета относительно внешних объектов (которые могут как размещаться на земле, так и находиться в пространстве) и параметрах движения самолета представляют, во многих случаях, авиационные радиосистемы.

Поскольку отдельно взятая авиационная радиосистема выполняет достаточно ограниченный набор функций, то для решения той или иной задачи самолетовождения нередко используется объединение радиосистем в определенный комплекс. Перечень радиосистем, включаемых в конкретный комплекс, зависит как от особенностей самолетовождения на данном участке полетной траектории, так и от характера информации используемой на этом участке. В частности, если обратиться к рассмотрению этапа активного полета (рис. 3.1), являющегося, пожалуй, наиболее функционально-значимым участком полетной траектории, то информацию для самолетовождения на указанном этапе поставляют радиосистемы навигационно-пилотажного комплекса.

В состав навигационно-пилотажного комплекса входят, в подавляющем большинстве случаев, радиолокационные и радионавигационные системы. В связи с этим отметим основные задачи, выполняемые указанными радиосистемами.

Радиолокационные системы предназначены для дистанционного (с помощью радиоволн) определения местоположения и параметров движения объекта, внешнего по отношению к данной системе (например, для получения данных о координатах летательного аппарата противника). При этом оборудование радиолокационной системы может состоять как из наземных и бортовых узлов, так и только из бортовых узлов, располагающихся на самолете. Последнее обстоятельство означает, что ряд радиолокационных систем может работать в автономном режиме.

Что касается радионавигационных систем, то они выполняют функцию дистанционного (с помощью радиоволн) определения местоположения и параметров движения данного самолета относительно внешних объектов (например, наземных или бортовых радиомаяков), координаты расположения которых известны экипажу данного самолета или заложены в управляющих устройствах, расположенных на борту данного самолета. Это означает, что аппаратура радионавигационной системы всегда подразделяется на две части – находящуюся на борту данного самолета и располагающуюся на внешних (по отношению к данному самолету) объектах.

Из сказанного видно, что радиолокационные и радионавигационные системы, дополняя друг друга, позволяют экипажу (или бортовым управляющим устройствам) получить достаточно полную координатную информацию о текущей воздушной ситуации. Объединение функций указанных радиосистем приводит к тому, что навигационно-пилотажный комплекс, формирующий данные о самолетной траектории, может быть использован для решения задач обеспечения безопасности полетов, управления воздушным движением, контроля окружающего пространства, и т.д.

Поиск по сайту: