Макет антенного устройства судовой навигационной станции

Корабельные системы навигации являются одной из наиболее обширных областей производства радионавигационных средств.

Антенны [1] судовых навигационных систем обычно имеют апертуры размером около 2 м, что дает ширину луча по азимуту от 1,2° до 1,7°, ширина диаграммы направленности (ДН) по углу места равна 20–30°, но допускаются и меньшие значения при условии стабилизации по крену. Выбор рабочей частоты систем обусловлен такими факторами, как видимость малых объектов над поверхностью, требуемая дальность обнаружения, угловая разрешающая способность и морские условия распространения радиоволн. Обычно используют выделенные полосы условных диапазонов S и X.

Широкое распространение и повсеместное использование предъявляют к таким системам требования упрощения, удешевления и снижения габаритных размеров конструкции при сохранении высоких тактико-технических характеристик.

Ниже приводятся конструкция и параметры макета радиолокационной антенны диапазона Х для навигационных применений.

Основная часть

Вышеприведенным требованиям отвечают нерезонансные антенные решетки на основе волноводно-щелевых излучателей (ВЩИ). Очевидными достоинствами таких антенн является малый вес и габариты, а также пониженное ветровое сопротивление за счет отсутствия выступающих частей (рис. 1). 2

К недостаткам щелевых антенн следует отнести сильную частотную зависимость, что особенно характерно при коротких зондирующих импульсах (портовая навигация). Работа с круговой поляризацией и осуществление обратимого и необратимого изменения поляризации (с целью подавления отражений от осадков и т.п.) возможна только с применением специальных методов, существенно усложняющих и удорожающих конструкцию. Упомянутые недостатки лишь ограничивают, но

Алиев Михаил Юрьевич – аспирант кафедры конструирования и производства радиоэлектронных средств, Калужский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Рис. 1. Нерезонансный ВЩИ с наклонными щелями в узкой стенке

не исключают возможность использования антенных решеток на основе щелевых излучателей.

Единичный щелевой излучатель линейного ВЩИ вследствие малых размеров отверстия (обычно значительно меньше длины волны) и низкого значения КНД является довольно неэффективным излучателем с точки зрения формирования направленных ДН в плоскости, перпендикулярной ВЩИ. Поэтому в антеннах на основе ВЩИ обычно используется следующие способы формирования требуемой ДН в вертикальной плоскости:

– с помощью рефлекторных зеркал;

– с помощью рупорного раскрыва.

Зеркальные антенны обладают преимущественным свойством для нужд двухмерной радиолокации – позволяют строить диаграмму направленности специализированной (например, типа «cosec2») формы. Однако реальные параметры таких антенн сильно зависят от качества изготовления конкретного рефлектора [2]. Кроме этого, для случая цилиндрического рефлектора, облучаемого линейной решеткой, необходимо обеспечить стабильность совпадения центра излучения «точечных» излучателей с «фокусной прямой» рефлектора. В общем случае для зеркальных антенн требуемая точность изготовления параболического зеркала до 2 раз выше точности, предъявляемой к установке фазового центра облучателя и рупора для заданной частоты и синфазности эффективной излучающей апертуры [3].

По причине простоты конструктивных решений и отсутствия гнутых деталей сложного профиля для макета выбран вариант с рупорным раскрывом.

Рупорные антенны имеют соизмеримый с рефлекторными антеннами коэффициент использования поверхности (КИП), что крайне важно при проектировании эффективной антенны, устойчивой к ветровым нагрузкам. Отличительным достоинством по сравнению с классическими антеннами на основе параболоида также является отсутствие «перетекания» энергии за края рефлектора и связанного с данным эффектом возрастания УБЛ.

Конструкция, расчет, моделирование

Как уже сказано выше, с целью к р айнего упр о щения конструкции и снижения кон е чной себестоимости устройства, используется линейная фазированная антенная решетка на основе ВЩИ, помещенная в горловине Н -секториального рупор а . Форма ДН в азимутал ь ной плоскости определяется конфигурацией элементов решетки (щелевых излучателей), в угломестной – г еометрическими параметрами раскрыва рупора. Условный диапазон частот – Х. Поляризация – г о ризонтальная. Для подавления деп о ляризационной составляющей основной поляризации между щелями ВЩИ помещены металлические разделительные блоки (по аналогии с [2]) ( р ис. 2).

Расчет главных соста в ляющих антенны производился классическими м етодами: ВЩИ – энергетическим методом [4], э л ементов рупорного раскрыва – числовым методом на основе методики р а счетов оптимального Н-плоскостного рупора [5 ] . Полученные действующие размеры конструкции уточнялись методом параметрической оптимизации с помощью программных средств электродинамического модели р ования [6]. Ограниченное множество векторов в а рьируемых параметров, при которых модель счит а ется «условно работоспособной», было получено на основе анализа открытых источников [7, 8].

В процессе проектирования мак е та широко использовались конструктивные решения, обладающие конструкторско-технологической простотой: гнутые элементы раскрыва рупор а , волноводно-щелевой излучатель, стандартный металлический прокатный профиль. В конструкции преобладают разъемные соединения (сочленения) типа «болт–гайка». Таким обра з ом, на макете отрабатывалось не только решение задачи проектирования – разработка устройства с требуемыми электрическими характеристи к ами, – но и решение за д ачи конструкторской разработки – создание конструкции, пригодной для серийного производства.

Макет антенного устройства судовой навигационной станции

Эксперимент

Электрические испытания макета проводились в два этапа

• 1.    Испытания составных частей макета [9]. Корректировка конструкции по результатам испытаний.

• 2.    Испытания макета антенного устройства.

Результаты моделирования и экспериментальных испытаний макета антенного устройства (рис. 3) представлены на рис. 4 и 5.

Результаты испытаний м акета сведены в таблицу.

Коэффициент конструктивного кач е ства макета [10] составил K к =0,989.

Заключение

Приведенные данные демонстрируют возможность построения эфф е ктивного антенного устройства судовой навигац и и на основ е несложных конструктивных элементов, с тенденцией к конструкторско-технологической простоте.

Рис. 2. ВЩИ с разделительными металлическими блоками

Рис. 3. Макет антенны. Внешний вид

Угол, град

Результаты моделирования     Результаты испытаний

Рис. 4. Диаграмма направленности на частоте f 0 . Горизонтальное сечение

Рис. 5. Диаграмма направленности на частоте f 0 . Вертикальное сечение

Результаты натурных испытаний

Наименование параметра	Частота, МГц
	f-200	f	f+200
Ширина ДН АЗ, 0 АЗ, °	1,26	1,19	1,16
Ширина ДН УМ, 0 ум , °	11	10,07	9,19
КУ, дБ, не менее	33,8	34	33,8
УБЛ АЗ, дБ, не более	–21,3	–24,4	–25,7
УБЛ УМ, дБ, не более	–13	–15	–14,6
Габариты (LхWхH), мм, не более	2176 x 240 x 590
КСВН по входу, не более	1,1