Содержание к диссертации
Введение
Глова 1. Технические требования к линиям связи .
1.1. Задача оптимального построения антенн .
1.2. Критерии оптимальности.
1.3. Выводы по первой главе.
Глова 2. Антенны наземного пункта связи .
2.1. Требования к ДН антенн НПС.
2.2. Примеры оптимальных ДН.
2.3. Оптимальная ДН изолированной антенны НПС.
2.4. Реализация антенн НПС с оптимизированными ДН.
2.5. Антенны НПС на базе уголкового отражателя.
2.6. Результаты исследования антенны НПС на основе уголкового антенны .
2.7. Антенные решетки с формированием заданной ДН в вертикальной плоскости.
2.8. Результаты исследования антенных решеток с формированием ДН специальной формы.
2.9. Сравнение вариантов построения антенн НПС.
2.10. Выводы по второй главе.
Глова 3. Бортовые антенны систем связи с ДПЛА
3.1. Общие свойства бортовых антенн
3.2. Методы анализа ДН антенн, установленных на объектах заданной форме.
3.3. Размещение слабонаправленной антенны на объекте
3.4. Результаты моделирования.
3.5. Некогерентные антенные решетки.
3.6. Оптимизация некогерентных антенных решеток.
3.7. Оценка эффективности использования некогерентных антенных решеток . 83
3.8. Выводы по третьей главе. 87
Глова 4. Вопросы практической реализации антенн систем связи с ДПЛА . 89
4.1. Варианты реализации некогерентных антенных решеток. 89
4.2. Оценка эффективности использования малоэлементных некогерентных антенных решеток. 97
4.3. Выпор оптимального частотного диапазона для системы связи с ДПЛА. 101
4.4. Оптимизация бортовой антенны при использовании на НПС двух поляризационного приема. 110
4.5. Вариант двухэлементной некогерентной решетки. 116
4.6. Выводы по четвертой главе. 120
Основные результаты и выводы. 122
Литератора 124
Приложения. Акты об использовании результатов диссертации 131
- Задача оптимального построения антенн
- Результаты исследования антенны НПС на основе уголкового антенны
- Оценка эффективности использования некогерентных антенных решеток
- Оптимизация бортовой антенны при использовании на НПС двух поляризационного приема.
Введение к работе
В настоящее время, развитие беспилотных летательных аппаратов (БПЛА- беспилотные ЛА или ДПЛА - дистанционно пилотируемые ЛА) -. одно из приоритетных направлений в мировой авиапромышленности. По оценкам американских экспертов, сегодня активно занимаются проблемами создания ДПЛА около 45 стран. Среди них США, Израиль, Иран, Швеции, Бельгии, Италии, Франции, Великобритании, Германии, Австралия и др. развитые и даже развивающиеся страны.
Активность при создании ДПЛА вызвана рядом причин. Одна из них - очень широкая сфера применения современных ДПЛА. Это, в первую очередь, военное использование ДПЛА. Также возможно использование ДПЛА в гражданских целях: в промышленности, для наблюдения за каки-. ми-то объектами или состоянием окружающей среды, для передачи информации и др. Не вызывает сомнений большая перспективность использования ДПЛА в борьбе с терроризмом и наркотрафиком. Целесообразно применение ДПЛА в работе всевозможных служб спасения. Специалисты прогнозируют на ближайшие 10 лет переход от пилотируемой военной и гражданской авиационной техники к беспилотным авиационным системам во многих областях традиционного применения авиации.
Как показывает анализ тенденций развития [1- 11] прогресс в создании комплексов ДПЛА различного назначения обусловлен, прежде всего,. двумя факторами, экономическим и научно-технологическим:
значительный рост стоимости и затрат на эксплуатацию в мирное и военное время пилотируемой авиационной техники;
общий научно-технологический прогресс и развитие компьютерных технологий.
Экономический фактор стимулирует проведение поисковых научных и экспериментальных работ по созданию комплексов ДПЛА, позволяющих вывести человека из условий, когда он должен выполнять функцию управ-
ления летательным аппаратом и одновременно подвергаться мощному физиологическому воздействию при высокой психоэмоциональной нагрузке, связанной с риском для жизни.
Анализ тенденций развития зарубежных армий свидетельствует, что в большинстве из них расширяется использование беспилотных летательных аппаратов (ДПЛА) самых различных классов и назначения. К настоящему времени накоплен значительный опыт использования комплексов ДПЛА в боевых условиях. В ходе войны с Ираком активно использовал боевые ДПЛА Иранская армия. Положительный опыт эффективного применения ДПЛА войсками НАТО на Балканах никем не скрывается. Основными боевыми задачами БАС в войне в Югославии были:
разведка и доразведка мест дислокации Югославской армии;
наблюдение за полем боя;
контроль за обстановкой на территории занятой албанскими сепаратистами;
- оценка результатов применения тактической и бомбардировочной
авиации НАТО при нанесении ударов по инфраструктуре Югославии.
Опыт применения ДПЛА в боевых действиях и при боевой подготовке войск говорит о том, что процесс их развития будет продолжаться. В США рассматривается вопрос о включении к 2008 году в перечень стандартного вооружения бригады сухопутных войск до 150- 200 ДПЛА оперативно-тактического назначения. Речь также идет о внедрении все более совершенных и продвинутых систем, которые вместе с уже имеющимися средствами могут значительно изменить характер ведения вооруженной борьбы, особенно в конфликтах малой и средней интенсивности.
Однако сфера применения ДПЛА не ограничивается только военной составляющей. В настоящее время они находят гражданское применение: патрулирование дорог, водных акваторий и объектов нефтяной промышленности. Не менее значительны перспективы применения различных систем ДПЛА по линии правоохранительных органов, для контроля наших
протяженных границ, в том числе при организации борьбы с наркотрафиком. Не случайно одними из первых потенциалом ДПЛА заинтересовались в Министерстве по чрезвычайным ситуациям, которое более восприимчиво к новой технике, когда речь идет о борьбе за жизнь людей и предотвращение катастроф.
Особым порядком стоит антитеррористический потенциал, объективно заключенный в таком мощном средстве, как многофункциональные беспилотные летательные аппараты. В Австралии, например, создаются два типа беспилотных аппаратов для предотвращения нападений террористов на железные дороги, а также пункты добычи нефти и газа в шельфо-вой зоне на северо-западном побережье континента. Это рассматривается как долгосрочная стратегическая задача. ДПЛА будет придана способность совершать беспосадочные полеты в течение 30 часов. В США недавно образованное министерство внутренней безопасности при технической поддержке Пентагона создает управление, которое будет не только курировать растущий в нем отряд ДПЛА различного назначения, но и организовывать подготовку пилотов, обеспечивать техническое обслуживание. Оно станет также разрабатывать концепции использования каждого из имеющихся типов ДПЛА применительно к задачам, решаемым этим ведомством. Глава министерства Том Ридж недавно заявил, что беспилотные аппараты, подобные тем, какие применялись США в военной операции в Ираке, помогут в борьбе с нелегальными иммигрантами и увеличат эффективность работы пограничных служб на земле, в воздухе и на море. Не вдаваясь в детали, можно отметить, что в США намечают к 2012 году использовать в коммерческих и муниципальных службах около 8000 беспилотных аппаратов различного назначения и класса.
Таким образом, комплексы ДПЛА представляют собой перспективное направление техники. Тенденцию увеличения количества ежегодно ведущихся новых разработок в этом направлении можно увидеть на примере США. Начиная с 50-х годов прошлого столетия, в США ежегодно увели-
чивалось число ведущихся одновременно новых работ в области БАС, оканчивающихся постройкой опытного образца.
\чщ
|ЭД*
!»
|9«J
I«,tw
т«
Рис. В.1 Количественный рост разработок ДПЛА
В 50-х годах основными разработчиками и пользователями беспилотной техники являлись СССР, США и Франция. Опыт разработки и практического использования подобной техники в Фашистской Германии полностью заимствован США и частично СССР. В настоящее время ведущим производителями ДПЛА являются США, страны Евросоюза и Израиль Конец 20 столетия отмечен распространением беспилотной технологии на страны третьего мира - государства Ближнего Востока, Азии и более развитые государства Африки.
В настоящее время находят применение и разрабатываются ДПЛА широкой номенклатуры массы, габаритов, длительности полета и дальности действия (Табл. В.1). Авторами статьи в «Российском военном обозрении» [6] предложена следующая классификация ДПЛА: - по массе (микро - менее 5 кг; мини - менее 200 кг; и макси - свыше 1000 кг);
по продолжительности нахождения в воздухе (менее 1 часа, до 3 часов, до 6 часов, до 12 часов, до 24 часов и более);
по высоте полета (до 1км; 3 км; 9-12 км; а также до 20 км).
Таким образом, на сегодняшний день, существует большое разнообразие малых ДПЛА. Большинство развитых и развивающихся стран ведет разработки в этой области, и уже обладает готовой техникой. Как видно из приведенных данных, значительный интерес вызывают аппараты малого и среднего класса. Для них характерно наличие жестких ограничений массы и габаритов используемого оборудования.
Табл. В. 1 Беспилотные аппараты различных производителей 1. Аппараты тяжелого класса (масса более 1000 кг)
2. Аппараты среднего класса (масса от 150 до 1000 кг)
3. Аппараты гклассов «мини» и «микро» (масса менее 150 кг)
Оснащаются аппаратурой связи Star link массой 0.4 кг
Собственно беспилотный летательный аппарат - это составная часть комплекса ДПЛА. Только во взаимодействии ДПЛА с наземным пунктом управления и его центральным элементом - человеком-оператором реализуется главная особенность ДПЛА - интерактивное управление. Комплекс ДПЛА, состоящий из ДПЛА и наземного пункта управления, включает в себя радиотехническую систему, обязательными элементами которой являются:
вычислительный комплекс, состоящий из бортовой ЭМВ (БЭВМ), видеопроцессора, внешнего запоминающего устройства и интерфейсных средств;
целевое оптико-электронное и радиолокационное оборудование;
блок радиообмена с наземным пунктом управления блок ретрансляции (в варианте комплектации средствами ретрансляции);
устройства навигации;
радиоэлектронное оборудование приема и передачи команд управления
Не затрагивая свойств всех перечисленных компонент, остановимся на технических средствах радиообмена ДПЛА с наземным пунктом управления на сегодняшний день, существует большое разнообразие устройств радиообмена, по существу представляющих собой радиомодемы. На рынке широко представлены радиомодемы с функциональными различными показателями [13-21].
2 Оснащаются аппаратурой связи Star link массой 0.4 кг
Применительно к использованию в составе относительно крупных ДПЛА можно отметить хорошо известные специалистам устройства серии AN ARC 210- 230 (США), используемые на аппаратах Predator. Для аппаратов несколько меньших размеров и радиуса действия одним из устройств, наиболее полно отвечающим требованиям к функциональным показателям, массе и габаритам, устройства фирмы DATA RADIO (Канада) -семейства Gemini PD+ .Они объединяют в себе радиостанцию - радиомодем, спутниковый навигационный приемник и мультиплексор, размещенные в едином корпусе сигналов. Как и AN ARC 210- 230 эти устройства могут обеспечить радиус действия до 300 км.
Существует ряд других аналогичных устройств, например MODEL 100 - широкополосный модем для цифровой полнодуплексной связи. Радиомодем "Integral 400" и др. При использовании соответствующих антенн они могут работать в условиях прямой видимости на расстоянии до 60- 70 км.
Для малых летательных аппаратов и аппаратов среднего класса достигнутый уровень техники также позволяет создавать аппаратуру радиообмена малой массы и габаритов. Примерами могут служить радиомодем Спектр- 433, аналоговые широкополосные радиопередатчики ТХ- 400 -600 и др. Эти и другие аналогичные им устройства имеют объем менее 0.1 ...0.3 дм3 и массу не более 0.5 ...1 кг. Средства радиосвязи ДПЛА гражданского назначения используют ряд разрешенных для этих целей диапазонов частот - от метрового до сантиметрового диапазонов волн. (Табл. В.2)
Таблица В. 2
Основная задача малых ДПЛА - сбор информации. В таком случае, при создании аппарата очень важным является разработка и проектирование радиолинии управления и обмена данными. Так как при недостаточном качестве или полном отсутствии получаемой с ДПЛА информации, не имеет смысла и сам запуск беспилотного летательного аппарата. Следовательно, для обеспечения успешного выполнения поставленной задачи, комплекс, состоящий из собственно ДПЛА и наземных средств, должен быть оснащен радиооборудованием, отвечающим всем, предъявляемым к, нему требованиям.
Для ДПЛА малых размеров, с ограниченной мощностью бортового передатчика, вопрос об увеличения дальности действия средств радиосвязи стоит особенно остро [22- 23]. Для этих случаев характерно то, что в ДН антенн, как и в других случаях расположения антенн на объектах сложной геометрической формы, имеют место провалы, причем достаточно глубокие [24- 26]. Неравномерность ДН антенны вынуждает идти на увеличение мощности радиопередатчика, исходя из худшего случая, соответствующего наименьшему значению коэффициента усиления антенны в требуемом секторе углов. В свою очередь, увеличение мощности радиопередатчика
приводит к увеличению массы аппаратуры: как самого передатчика, так и бортовых источников электропитания.
Таким образом, при создании новых комплексов ДПЛА или модернизации существующих актуальной является задача совершенствования аппаратуры радиолиний связи воздушного объекта с наземным пунктом управления при минимальных массе и габаритах аппаратуры. Один эффективных способов улучшения показателей состоит в оптимизации параметров антенн как бортовой, так и наземной аппаратуры. В последнее время работы в этом направлении проводятся [25- 31].
Целью работы является улучшение массогабаритных показателей и дальности действия бортовой аппаратуры средств связи дистанционно пилотируемых летательных аппаратов (ДПЛА).
Задача, решаемая в диссертации, состоит в разработке методов построения бортовых и наземных антенн, обеспечивающих повышения потенциала связи, для средств малоразмерных ДПЛА. Её решение требует решения ряда более частных взаимосвязанных задач:
проведения анализа требований, предъявляемых к электрическим характеристикам бортовых и наземных антенн и оптимизации указанных требований;
выработки критериев для оценки показателей бортовых и наземных антенн в соответствии с установленными требованиями к их электрическим характеристикам;
разработки методов размещения бортовых слабонаправленных антенн в соответствии с выработанными требованиями и критериями;
разработки метода построения малоэлементных некогерентных антенных решеток в качестве бортовых антенн, включая их оптимизацию в соответствии выработанными требованиями и критериями;
разработки методов построения в соответствии с выработанными требованиями и критериями;
проведения количественной оценки эффективности предлагаемых мер по улучшению энергетических показателей радио средств связи с ДПЛА;
выработки предложений по практическому использованию предложенных методов и технических решений.
Задача оптимального построения антенн
В настоящее время, развитие беспилотных летательных аппаратов (БПЛА- беспилотные ЛА или ДПЛА - дистанционно пилотируемые ЛА) -. одно из приоритетных направлений в мировой авиапромышленности. По оценкам американских экспертов, сегодня активно занимаются проблемами создания ДПЛА около 45 стран. Среди них США, Израиль, Иран, Швеции, Бельгии, Италии, Франции, Великобритании, Германии, Австралия и др. развитые и даже развивающиеся страны.
Активность при создании ДПЛА вызвана рядом причин. Одна из них - очень широкая сфера применения современных ДПЛА. Это, в первую очередь, военное использование ДПЛА. Также возможно использование ДПЛА в гражданских целях: в промышленности, для наблюдения за каки-. ми-то объектами или состоянием окружающей среды, для передачи информации и др. Не вызывает сомнений большая перспективность использования ДПЛА в борьбе с терроризмом и наркотрафиком. Целесообразно применение ДПЛА в работе всевозможных служб спасения. Специалисты прогнозируют на ближайшие 10 лет переход от пилотируемой военной и гражданской авиационной техники к беспилотным авиационным системам во многих областях традиционного применения авиации.
Как показывает анализ тенденций развития [1- 11] прогресс в создании комплексов ДПЛА различного назначения обусловлен, прежде всего,. двумя факторами, экономическим и научно-технологическим: - значительный рост стоимости и затрат на эксплуатацию в мирное и военное время пилотируемой авиационной техники; - общий научно-технологический прогресс и развитие компьютерных технологий. Экономический фактор стимулирует проведение поисковых научных и экспериментальных работ по созданию комплексов ДПЛА, позволяющих вывести человека из условий, когда он должен выполнять функцию управ ления летательным аппаратом и одновременно подвергаться мощному физиологическому воздействию при высокой психоэмоциональной нагрузке, связанной с риском для жизни. Анализ тенденций развития зарубежных армий свидетельствует, что в большинстве из них расширяется использование беспилотных летательных аппаратов (ДПЛА) самых различных классов и назначения. К настоящему времени накоплен значительный опыт использования комплексов ДПЛА в боевых условиях. В ходе войны с Ираком активно использовал боевые ДПЛА Иранская армия. Положительный опыт эффективного применения ДПЛА войсками НАТО на Балканах никем не скрывается. Основными боевыми задачами БАС в войне в Югославии были: - разведка и доразведка мест дислокации Югославской армии; - наблюдение за полем боя; - контроль за обстановкой на территории занятой албанскими сепаратистами; - оценка результатов применения тактической и бомбардировочной авиации НАТО при нанесении ударов по инфраструктуре Югославии. Опыт применения ДПЛА в боевых действиях и при боевой подготовке войск говорит о том, что процесс их развития будет продолжаться. В США рассматривается вопрос о включении к 2008 году в перечень стандартного вооружения бригады сухопутных войск до 150- 200 ДПЛА оперативно-тактического назначения. Речь также идет о внедрении все более совершенных и продвинутых систем, которые вместе с уже имеющимися средствами могут значительно изменить характер ведения вооруженной борьбы, особенно в конфликтах малой и средней интенсивности.
Однако сфера применения ДПЛА не ограничивается только военной составляющей. В настоящее время они находят гражданское применение: патрулирование дорог, водных акваторий и объектов нефтяной промышленности. Не менее значительны перспективы применения различных систем ДПЛА по линии правоохранительных органов, для контроля наших протяженных границ, в том числе при организации борьбы с наркотрафиком. Не случайно одними из первых потенциалом ДПЛА заинтересовались в Министерстве по чрезвычайным ситуациям, которое более восприимчиво к новой технике, когда речь идет о борьбе за жизнь людей и предотвращение катастроф.
Особым порядком стоит антитеррористический потенциал, объективно заключенный в таком мощном средстве, как многофункциональные беспилотные летательные аппараты. В Австралии, например, создаются два типа беспилотных аппаратов для предотвращения нападений террористов на железные дороги, а также пункты добычи нефти и газа в шельфо-вой зоне на северо-западном побережье континента. Это рассматривается как долгосрочная стратегическая задача. ДПЛА будет придана способность совершать беспосадочные полеты в течение 30 часов. В США недавно образованное министерство внутренней безопасности при технической поддержке Пентагона создает управление, которое будет не только курировать растущий в нем отряд ДПЛА различного назначения, но и организовывать подготовку пилотов, обеспечивать техническое обслуживание. Оно станет также разрабатывать концепции использования каждого из имеющихся типов ДПЛА применительно к задачам, решаемым этим ведомством. Глава министерства Том Ридж недавно заявил, что беспилотные аппараты, подобные тем, какие применялись США в военной операции в Ираке, помогут в борьбе с нелегальными иммигрантами и увеличат эффективность работы пограничных служб на земле, в воздухе и на море. Не вдаваясь в детали, можно отметить, что в США намечают к 2012 году использовать в коммерческих и муниципальных службах около 8000 беспилотных аппаратов различного назначения и класса.
Таким образом, комплексы ДПЛА представляют собой перспективное направление техники. Тенденцию увеличения количества ежегодно ведущихся новых разработок в этом направлении можно увидеть на примере США. Начиная с 50-х годов прошлого столетия, в США ежегодно увели чивалось число ведущихся одновременно новых работ в области БАС, оканчивающихся постройкой опытного образца.
Результаты исследования антенны НПС на основе уголкового антенны
Линия радиосвязи летательного аппарата (ЛА) и наземного пункта управления (НПУ) обеспечивает в общем случае двухсторонний обмен информацией между бортовой и наземной аппаратурой. Основными задачами, решаемыми указанной линией связи, являются [8,11-12]: - в направлении НПУ-ЛА - передача командной информации для осуществления управления полетом ЛА и работой целевого бортового оборудования; - в направлении ЛА-НПУ - передача телеметрической информации (состояние бортового оборудования, а также данные о текущих координатах ЛА, полученные с помощью бортовой навигационной аппаратуры, например, GPS приемника), передача информации, полученной с помощью целевого оборудования (фотоснимки, ТВ изображения и др.). Обе из указанных линий связи характеризуются информационными и энергетическими показателями. Информационные показатели: Основным информационным показателем является пропускная способность канала связи, т.е. объем передаваемой информации за единицу времени. Радиолинии НПУ-ЛА и ЛА-НПУ существенно различаются по данному показателю: Радиолиния НПУ-ЛА представляет собой узкополосный канал связи, т.к. объем передаваемой информации, даже за полное время полета ЛА и работы его оборудования, невелик.
Учитывая необходимое число различных команд управления и требуемую периодичность передачи, легко рассчитать требуемую пропускную способность указанной радиолинии. Необходимая скорость передачи информации в этом канале в любом случае не превышает нескольких единиц Кбит/сек. Радиолиния ЛА-НПУ должна иметь, как правило, значительно большую пропускную способность. Конкретное значение требуемой скорости передачи в значительной мере определяется назначением конкретного аппарата и показателями установленного на нем целевого оборудования. Так, при использовании для наблюдения аппаратуры телевизионного типа, для качественной передачи требуется радиолиния со скоростью передачи до нескольких десятков Мбит/сек. Для осуществления передачи относительно медленно изменяющихся изображений, когда. используется аппаратура малокадрового аналогового телевидения, или при организации передачи полученных изображений при эффективном их сжатии, требуемая скорость передачи линии связи оценивается от нескольких десятков до нескольких сотен Кбит/сек. Наконец, при относительно редкой передаче отдельных кадров получаемых изображений (т.е. фактически фотоснимков), требуемая скорость передачи может не превышать несколько Кбит/сек.
Во многих практически важных случаях, особенно соответствующих назначению ЛА класса "мини", достаточный объем передаваемой. информации соответствует второму или третьему из перечисленных случаев. Таким образом, для аппаратуры радиолиний связи малоразмерных летательных аппаратов характерными требованиями к скорости передачи информации являются: - не более нескольких Кбит/сек для радиолинии НПУ-ЛА; - не более нескольких десятков (реже сотен) Кбит/сек для радиолиний ЛА-НПУ . Исходя из изложенного, будем в дальнейшем рассматривать в качестве аппаратуры двухстороннего радиообмена по линиям НПУ-ЛА и ЛА-НПУ. устройства, функционально являющиеся узкополосными модемами (либо модемами с несколько увеличенной пропускной способностью по отношению к узкополосным устройствам). Энергетические показатели: Основным требованием к энергетическим свойствам радиолиний является обеспечения необходимого потенциала связи во всем диапазоне дальностей и для всех случаев ориентации ЛА относительно НПУ [27,32-33]. Это требование означает, что для каждой из радиолиний мощность принятого сигнала должна иметь достаточную величину: где Pnpmin - чувствительность приемника (дБ) МВт, L3- защитное отношение, определяемое как требуемое превышение сигнала над шумом (или шумом и помехами), при котором обеспечивается заданное качество передачи информации. Для современных приемников величина / min составляет величину порядка - до (-90...-100 дБ МВт), L3- величину порядка (13... 16) дБ при цифровой передаче или порядка (25...35) дБ при аналоговой. Величина принятой мощности сигнала определяется мощностью передатчика Р д, расстоянием между корреспондентами \R\, параметрами антенн и свойствами радиотрассы Птр\. где Ly- величина суммарного ослабления на участке от выхода передатчика до входа приемника, G - коэффициент усиления, R - вектор, соединяющий точки текущего расположения приемной и передающей антенн, ІП-гр)- параметры профиля и электрофизических свойств подстилающей поверхности. В общем случае зависимости, определяющие численное значение Х , имеют весьма сложный и многофакторный характер [34]. Поэтому при практических расчетах обычно прибегают к использованию упрощенных представлений, соответствующих тем или иным условиям взаимного расположения и параметры подстилающей поверхности. В частном случае, соответствующем связи двух корреспондентов в свободном пространстве, выражение для L принимает вид: Выражение (1.2), разумеется, не может использоваться для точной количественной оценки. Однако выражение (1.2) может служить основой для грубых оценок. Кроме того, вид этого выражения позволяет, как это будет показано ниже, сформулировать ряд положений, важных для последующего анализа.
Оценка эффективности использования некогерентных антенных решеток
Уголковая антенна [43] представляет собой простейший излучатель, чаще всего в виде полуводного вибратора, помещенный между двумя плоскостями конечных размеров, образующих собственно уголковый отражатель. Рис. 2.13. К числу достоинств указанной антенны можно отнести: простоту конструкции; - возможность создания малогабаритной складной или разборной конструкции. В рассматриваемых применениях это обстоятельство может иметь достаточно большое значение, т.к. для мобильных комплексов с ДПЛА важно, чтобы в транспортируемом состоянии антенны НПС занимали мало места и допускали быстрое развертывание. В общем случае ДН уголковой антенны в вертикальной плоскости определяется размерами пластин - а{, углом раскрыва ц/х, расстоянием от вершины до излучателя -а2, смещением его относительно биссектрисы угла у/х - аъ. Кроме того, антенна может быть ориентирована под углом ц/2 к горизонту. Формирование ДН близкой к оптимальной Fonm{6), определенной для конкретных условий согласно разделам, 2.1- 2,2, можно обеспечить, варьируя параметры ах - аъ, у/х, у/2. Приведенные в литературе, в частности в [43] результаты анализа уголковой антенны, дают основание рассчитывать на это. Так, согласно [43] при помощи уголковой антенны возможно формирование ДН шириной до (10..15) при приемлемом уровне боковых лепестков. Наиболее существенно то, что согласно этим данным, при смещении облучателя от оси симметрии уголковой антенны происходит изменение ДН, напоминающее искажения ДН при кубическом фазовом распределении: наблюдается несимметричное изменение главного лепестка и поворот ДН на некоторый угол. Форма ДН при этом становится внешне похожей на ДН вида cos ее2 (в) или типовую оптимальную ДН для рассмотренных случаев в разделах (2.1- 2.2). Таким образом, для решения вопроса об эффективности использовании антенны на базе уголкового отражателя в качестве антенны НПС необходимо: - осуществить выбор параметров а{ -а3, у/х, ц/2о, целью получения ДН,. наиболее близкой к требуемой; - провести оценки приемлемости полученных результатов, как в отношении достигаемых электрических характеристик, так и габаритов антенны. Расчетные соотношения, приведенные в [43], представляют собой результаты приближенного анализа, представлены в виде аналитических выражений и неудобны для решения задачи конструкционного синтеза уголковой антенны по заданной ДН Fonm(0). Применительно к кругу рассматриваемых задач более целесообразно использовать численные решения задач об излучении уголковой антенны. Среди известных методов наиболее рациональным представляется использование двух методов, имеющих каждый определенные достоинства и недостатки. Метод моментов [46,49]. Для осуществления решений на базе метода моментов как излучатель, так уголковый отражатель задаются в виде конструкции, образованной набором металлически проводов конечной толщины. Достоинством метода (в данном случае) является то, что реальная конструкция может действительно представлять собой линейную или прямоугольную сетку проводов. Недостатком - большая размерность задачи при значительных физических размерах пластин и использовании достаточно коротковолнового частотного диапазона. Таким образом, область целесообразного использования метода моментов в данном случае соответствует электрическим размерам пластин - ах1 X не более нескольких длин волн. Реализация расчетов на основе метода моментов может с успехом проводится с использованием существующих пакетов, в частотности MMANA [47], FEKO[48]. Ассимитотические методы: Существует ряд процедур анализа, обеспечивающих решение аналогичных задач анализа при достаточно больших электрических размерах пластин ах1 Л))\. К их числу относится методы краевых волн [41] геометрической теории дифракции [41,49]. Алгоритмы, реализующие данные методы также реализованы в ряде современных программных пакетов, в частности FEKO[48]. В настоящем разделе приводятся результаты исследования возможностей формирования в вертикальной плоскости ДН заданной формы. При использовании антенны в виде симметричного полуволнового вибратора, установленного в уголковом отражателе. Указанные ДН определяются в соответствие с соотношением (2.3). Рассматривается два варианта уголковых антенн: - конструкция в виде сетки проводов с шагом менее четверти длины волны. Данный вариант наиболее рационален при создании антенн НПС относительно низкочастотных диапазонов (метровые волны); - конструкция со складными металлическими пластинами. Этот вариант целесообразен при создании антенн НПС дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. Для обоих вариантов рассматривалась задача конструктивного синтеза антенны по заданной ДН, сформулированная в разделе (2.4). В первом варианте для численного решения на каждом шаге оптимизации в качестве инструмента решения использован метод моментов, реализованный в ППП FEKO Рассмотрен ряд типовых ситуаций, приводящих к необходимости формирования ДН в вертикальной плоскости типа косеканс-квадратных (раздел 2.2). Расчеты проводились методом моментов, реализованном в ППП FEKO. Ниже приводятся типичные результаты оптимизации. На Рис 2.14 показан общий вид варианта антенны, на Рис 2.15 - требуемая ДН. Оптимизация состояла в выборе параметров av..a3,i//l,y/2no критерию среднеквадратичного приближения к заданной ДН, показанной на Рис. 2.15. На Рис. 2.16 показана расчетная ДН при оптимизированных параметрах ах = 2Х, а2 = 0.55Л, а3 = 0.275Д, щ = 110, у/2 = 26.5
Оптимизация бортовой антенны при использовании на НПС двух поляризационного приема.
Метод частичных областей. Как правило, атмосферные летательные аппараты (самолеты) имеют форму, которую нельзя представить простой аппроксимирующей поверхностью, для которой возможно решение методом собственных функций. Однако в ряде случаев их корпус может быть представлен пересекающимися поверхностями двух или большего числа координатных систем. В таких случаях поле излучения антенны может быть определено методом частичных областей [55-56]. Сущность его состоит в том, что все пространство разбивается на несколько областей. В каждой области поле представляется рядом волновых функций, затем осуществляется «сшивание» их на границах областей, обеспечивающее условие непрерывности, причем это условие выполняется приближенно, например, по критерию наименьшего среднеквадратического значения различия указанных полей.
Метод интегральных уравнений. Существо метода состоит в следующем: Пусть в результате действия сторонних источников по поверхности объекта устанавливается некоторое, пока неизвестное распределение токов. Поле, создаваемое этими токами во внешнем пространстве можно определить, если записать в явном виде выражение для поля, создаваемого токами, которые обтекают элементарный участок поверхности объекта, и, затем, осуществить интегрирование по всей поверхности. Таким образом, неизвестная функция плотности токов оказывается под знаком интеграла.. Если теперь удовлетворить граничным условиям, состоящим в том, что на поверхности объекта, за исключением участков со сторонними токами, касательная составляющая электрического поля равна нулю, то получим интегральное уравнение относительно искомой функции распределения токов. Метод интегральных уравнений приложим к широкому классу поверхностей, его численная реализация не слишком сложна при использовании современных вычислительных средств.
Метод вспомогательных источников. По существу метод аналогичен методу интегральных уравнений и представляет собой его дискретный аналог. Существо метода [26-58] заключается в следующем. Вводится некоторое количество вспомогательных источников с неизвестными пока комплексными амплитудами возбуждения. Вместе с реальным излучателем они образуют антенную решетку, которая создает в окружающем пространстве некоторое поле излучения. Это поле должно иметь на поверхности, соответствующей поверхности объекта, нулевую касательную составляющую напряженности электрического поля. Это может быть приближенно обеспечено путем выбора амплитуд и фаз возбуждения вспомогательных источников. Таким образом, исходя из этого условия определяются комплексные амплитуды возбуждения всех элементов решетки. Искомое поле излучения антенны на объекте определяется как поле излучения указанной антенной решетки.
Методы физической теории дифракции. Для метода интегральных уравнений, а также вспомогательных источников характерно то, что вычислительные трудности решения тем выше, чем больше размеры объекта по сравнению с длиной волны. Поэтому для решения задач дифракции на телах больших электрических размерах часто используются приближенные методы. Группа этих методов, в которых для упрощения решения используют различные допущения о характере токов на поверхности объекта, получила название методов физической теории дифракции. Среди них следует назвать метод, основанный на приближении Гюйгенса-Кирхгофа [59], дающий удовлетворительное соответствие действительности в освещенной области. Также к числу этих методов относятся методы геометрической оптики, геометрической теории дифракции и метод краевых волн. Метод геометрической оптики. Основан на представлении электромагнитного поля совокупностью лучей, распространяющихся в однородном пространстве прямолинейно. Дифракция на металлическом теле некоторой формы рассматривается как результат отражения указанных лучей на границе раздела «воздух - металл» и, причем законы отражения лучей соответствуют законам отражения плоских волн на плоской бесконечной границе раздела. Методы геометрической оптики позволяют получить удовлетворительные результаты только для тел больших электрических размеров и только в освещенной области.
Метод геометрической теории дифракции (ГТД), предложенный Келлером [59], является развитием метода геометрической оптики и заключается в следующем [60]. Помимо отраженного и преломленного лучей в ГТД вводятся так называемые дифрагированные лучи, возникающие при падении луча на ребро или вершину объекта. Роме того, вводятся поверхностные лучи, которые образуются при касательном падении луча на поверхность объекта. ГТД устанавливает ряд правил, согласно которым определяются параметры дифрагированных и поверхностных лучей. В настоящее время метод ГТД является одним из наиболее эффективных инструментов для решения задач дифракции на телах сложной формы и больших электрических размеров. Метод позволяет с приемлемой точностью определять поля не только в освещенной, но и в теневой области.
Метод краевых волн Указанный метод, предложенный П. Я. Уфимцевым является развитием методов физической оптики применительно к выпуклым металлическим телам с изломами поверхности [60].
На практике перечисленные выше методы в настоящее время во многих случаях используются в виде готовых процедур, реализованных для достаточно производительных ЭВМ в виде готовых программных средств. Среди них можно выделить как простые пакеты, ориентированные на широкого пользователя, например MMANA, так и профессиональные пакеты типа MICROWAVE STUDIO и FEKO [63]. Пакет MMANA позволяет рассчитывать характеристики проволочных излучателей, установленных вблизи металлической поверхности объекта, которая аппроксимируется сеткой металлических проводников. Расчеты осуществляются с использованием метода моментов. Пакет FEKO реализует как метод моментов для проволочной модели объекта, так и ассимтотические методы (ГТД) для сплошных тел в виде набора плоскостей с изломами.
Эффективность использования в рассматриваемых задачах метода моментов определяется главным образом электрическими размерами объекта. Для удовлетворительной точности решения необходимо, чтобы элементы разбиения имели малые электрические размеры. Число сегментов, в конечном счете, определяем размерность матриц, с которыми оперируют в расчетах. В результате, при использовании общедоступной вычислительной техники и существующих 1IIIII - например FEKO, предельные электрические размеры ДПЛА не должны превышать нескольких десятков длин волн.
