Антенны радионавигационных средств

Антенны наземных радиотехнических средств

Антенны связи

Антенны для дальней связи

Антенны СГД являются основным типом передающих антенн, применяемых в диапазоне коротких волн для радиовещания на трассах большой протяженности.

Антенна представляет собой плоскую синфазную решетку, состоящую из нескольких рядов ( ) вибраторов (рис. 6.1). Часто ряды вибраторов называют этажами. Каждый этаж состоит из полуволновых вибраторов (или из = /2 симметричных волновых вибраторов). Вибраторы выполняются с пониженным волновым сопротивлением, равным 280... 470 Ом, из трёх или более проводников диаметром 4...6. мм. Расстояние ( ) между этажами берут равным 0,5l. Систему вибраторов, расположенных параллельно друг над другом с точками подключения питания на одной вертикальной оси, называют секцией антенны.

В настоящее время наиболее распространены двух - (радиолиния длиной 1000...3000 км), четырёх - (радиолиния длиной 2000...6000 км) и восьми этажные антенны (радиолиния длиной более 6000 км). Число секций СГД антенны обычно 4...8.

Рис. 6.1 Синфазная горизонтальная диапазонная антенна

Местной и командной радиосвязи

Несимметричные вибраторные антенны используются для местной радиосвязи в диапазоне 100 ... 150 МГц, легко устанавливаются на крыше аэродромных автомобилей.

Питание несимметричных вибраторных антенн осуществляется с помощью коаксиальных линий передачи. На рис. 6.2 а показан вертикальный четвертьволновый вибратор, возбуждаемый с помощью проводящего диска, к которому присоединен внешний проводник коаксиальной линии.

Диск может быть заменен четырьмя (или более) горизонтальными проводниками (рис. 6.2 б) длиной l/4 каждый, получившими название противовеса. Диск может быть заменен четвертьволновым стаканом, закороченным на одном конце (рис. 6.2 в). В этом случае внешняя поверхность стакана возбуждается так, что он совместно с выступающим внутренним проводником коаксиальной линии образует полуволновый вибратор. Находят применение на практике и петлеобразные четвертьволновые вибраторы, в частности с шунтовым питанием (рис 6.2 г). Такой вибратор имеет увеличенную эквивалентную толщину по сравнению с простым вибратором и поэтому обладает расширенной рабочей полосой частот.

Вибратор, изображенный на рис. 6.2 д, известен как четвертьволновый вибратор с приподнятой точкой питания. В этой схеме емкостное реактивное сопротивление верхней половины вибратора в точках питания а и в компенсируется последовательно включенным с ним индуктивным сопротивлением нижней половины вибратора.

Рис. 6.2 Несимметричные вибраторные антенны

Подбирая диаметр вибратора и соотношения длин l₁ и l₂ получают 10... 15% полосу пропускания антенны.

Более широкополосной является дискоконусная антенна (рис. 6.2 е). Экран коаксиальной линии присоединяется к металлическому конусу 1, а внутренний проводник - к металлическому диску 2. При заданной максимальной длине волны ( ) ориентировочные размеры антенны следующие: а=0,175 ; в = 0,25 ; с = 0,275 . ДН антенны в вертикальной плоскости близка к ДН обычного симметричного вибратора. В горизонтальной плоскости ДН ненаправлена. В дискоконусной антенне упрощенной конструкции конус и диск образованы металлическими стержнями. Такая антенна удобна при транспортировке, но механическая прочность ее понижена. Антенны такого вида используются для радиосвязи с самолетами, работают в диапазоне частот 118...136 МГц и 200...390 МГц.

Антенны радионавигационных средств

Антенны приводных радиостанций

Т - образная антенна используется в составе приводной аэродромной радиостанции, например, типа ПАР-10с. Внешний вид антенны показан на рис. 6.3. Высота и длина антенны выбираются в зависимости от её предназначения. Для дальнего приводного радиомаркера (ДПРМ) и отдельной приводной радиостанции (ОПРС) высота антенны 20 м, а длина антенного полотна 75 м. Для ближнего приводного радиомаркера (БПРМ) высота антенны 5м, а её длина – 50 м. Само антенное полотно состоит из трёх медных проводов диаметром 5 мм, расположенных параллельно поверхности Земли на расстоянии 0,5 м друг относительно друга. К центру антенного полотна подводится снижение, выполненное из того же материала, что и антенное полотно.

Рис. 6.3 Внешний вид Т-образной антенны: 1 - опора; 2 - растяжки; 3 - изоляторы; 4 - антенное полотно; 5 - диэлектрическая перемычка; 6 - снижение

Антенны маркерных радиомаяков

В качестве антенны наземного конусного маркерного радиомаяка (МРМ) используется система из двух перпендикулярных вибраторов с совмещенными центрами (так называемая турникетная антенна) (рис. 6.4). При питании вибраторов 1 и 2 токами равных амплитуд с фазовым сдвигом p/2 реализуется режим всенаправленного излучения, т.е. в ДН антенны отсутствуют нули. Максимумы ДН получаются в направлениях перпендикулярных плоскости расположения вибраторов. В плоскости расположения вибраторов поляризация излучения линейная, в остальных направлениях - эллиптическая.

Наземная антенна МРМ, работающая на частоте 75 МГц, размещается на расстоянии 0,25l над металлическим экраном, который представляет собой проволочную квадратную сетку с размерами ячеек 7,5 х 7,5 см. Сторона квадрата сетки берется не меньше 9 м, высота подвеса сетки над землей - примерно 1,8 м. Металлический экран служит для формирования максимального излучения антенны в вертикальном направлении по отношению к Земле.

Рис. 6.4 Турникетная антенна

Антенна маркерного радиомаяка МРМ-95 представляет собой конструкцию «вибратор с активным рефлектором» и состоит из двух горизонтальных симметричных полуволновых вибраторов, разнесённых по вертикали на расстояние λ/3, где λ – рабочая длина волны радиомаяка (рис. 6.5). Для контроля работы МРМ по полю излучения используют симметричный вибратор, размещённый ниже по вертикали активного рефлектора на 0,5м. Плечи вибраторов выполнены из алюминиевой трубы диаметром 20 мм.

Рис. 6.5. Общий вид маркерного радиомаяка

Ток рефлектора опережает по фазе ток верхнего вибратора на 90⁰. Вследствие этого формируется однонаправленная ДН, близкая по форме к кардиоиде (рис. 6.6). В плоскости Н, проходящей перпендикулярно осям вибраторов и оси взлётно-посадочной полосы (ВПП), множитель системы и определяет ДНА. В плоскости Е (проходящей вертикально вдоль осей вибраторов и оси ВПП) ДН описывается произведением множителя системы, также близкого к кардиоиде, и ДН полуволнового симметричного вибратора. Поэтому ДНА во взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях отличаются друг от друга: в плоскости Н диаграмма направленности шире, чем в плоскости Е (рис. 6.6). С учётом влияния Земли ДН имеют вид, изображённый на рис. 6.6. В горизонтальной плоскости ДН имеет туже форму, что и у одиночного полуволнового симметричного вибратора в плоскости Е, т.е. форму восьмёрки, направления нулевого излучения которой совпадают с осью вибратора и осью ВПП. Антенна формирует в свободном пространстве электромагнитное поле с горизонтальной поляризацией электромагнитных волн.

Рис. 6.6 ДНА маркерного радиомаяка

На рис. 6.7 приведена схема питания вибраторов, где: l₁ и l₂ – симметрирующие устройства типа “U – колено”; l₃ и l₄ – отрезки коаксиального кабеля, обеспечивающие сдвиг фазы 90⁰ между токами в верхнем вибраторе и рефлекторе; l₅ – разомкнутый на конце отрезок коаксиального кабеля длиной 350 мм, обеспечивающий равенство амплитуд токов в вибраторах; l₆ – отрезок коаксиального кабеля длиной 980 мм; l₇ – замкнутый на конце отрезок коаксиального кабеля длиной 350 мм.

Отрезки кабеля l₆ и l₇ обеспечивают согласование антенны с питающим фидером l₈.Все отрезки фидерной линии выполнены из высокочастотного коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом.

Рис. 6.7. Схема питания вибраторов радиомаяка

Антенны радиомаяков VOR

Всенаправленный азимутальный радиомаяк VOR (Very high frequency omni directional range) работает в метровом диапазоне волн. Для работы системы VOR выделен диапазон частот 108…118 МГц. Радиомаяк излучает навигационные сигналы, содержащие информацию об азимуте, сигнал опознавания с отличительными признаками радиомаяка. Поле излучения радиомаяка горизонтально поляризовано, уровень вертикальной составляющей излученного поля не более – 26дБ.

Антенна радиомаяка обеспечивает уверенный приём сигналов в вертикальной плоскости до угла места 40⁰, при этом зона действия в горизонтальной плоскости по азимуту от 0 до 360⁰. Формирование в пространстве зоны действия азимутального радиомаяка РМА-90 осуществляется с помощью антенной системы, которая имеет три ДН: одну круговую (ненаправленную) и две, развернутые в горизонтальной плоскости на 90⁰, “восьмёрочного” типа. Неравномерность ненаправленной ДН в горизонтальной плоскости не более 1,0 дБ, ширина “восьмёрочной” ДН на уровне 3 дБ 90±2⁰. Затухание в нуле этой ДН не менее 22,0 дБ. КСВ на выходе антенны во всём диапазоне рабочих частот не превышает 1,4. Развязка между излучателями, формирующими ненаправленную ДН и ДН типа “восьмёрки”, не хуже 40 дБ.

Антенна РМА-90 (рис. 6.8) включает в себя: два рамочных излучателя (верхняя и нижняя рамки с током); два щелевых излучателя; мачту; два малых (межрамочных) экрана; три согласующих трансформатора, расположенных внутри мачты; радиопрозрачное укрытие диаметром 0,8м; экран (отражатель) диаметром 5м.

Все излучатели установлены перпендикулярно к экрану и как бы нанизаны на мачту. Верхняя и нижняя рамки развёрнуты в пространстве друг относительно друга на 90⁰ для получения более равномерной в горизонтальной плоскости ДН. Для уменьшения изрезанности ДН дополнительно используются конденсаторы переменной ёмкости. Расстояние между фазовыми центрами рамок составляет 1,51м. ДН нижней и верхней рамок в вертикальной плоскости можно рассматривать как ДН решётки из двух излучателей, расположенных на разной высоте над экраном. КНД определяется формой этой ДН и теоретически имеет значение D = 2,6. КПД рамочных излучателей равен 0,94.

Для формирования требуемой зоны действия РМА-90 разность фаз между токами верхней и нижней рамок должна иметь значение 105⁰, при этом амплитудное значение тока верхней рамки вдвое больше. Для получения двух ДН типа “восьмёрки”, развернутых в горизонтальной плоскости на 90⁰, используют скрещенные под углом 90⁰ щелевые излучатели, которые образованы щелью между металлическими пластинами и мачтой (рис.2.18). В металлических пластинах имеются U-образные построечные щели, снабжённые короткозамыкателями, которые устанавливаются по мерной шкале с делениями. Длина каждого излучателя равна 1,31м и ограничена сверху и снизу экранами рамочных антенн. Питание щелевых излучателей производится точно в центре каждой щели от согласующего кабельного трансформатора, который предназначен для симметрирования, согласования и трансформации сопротивления щелевых излучателей к сопротивлению 50 Ом. Трансформатор состоит из двух идентичных частей, выполненных из кабеля РК-50-2-25, РК-50-2-22.

В вертикальной плоскости ДН щелевого излучателя формируется с учётом экрана (отражателя). Ширина расчётной ДН равна 90⁰ на уровне 3 дБ, КНД ≈ 4,08. При КПД излучателей равном 0,94, коэффициент усиления G≈3,87 (5,7 дБ).

Экран диаметром 5м формирует ДН излучателей в вертикальной плоскости. Экран имеет однородную электропроводящую поверхность и хорошее соединение с Землёй. Экран устанавливается над поверхностью Земли горизонтально на высоте 2,5 м. Все элементы излучателей и мачта выполнены из алюминиевых сплавов. Вес антенны без экрана около 130 кг, с экраном – 600кг.

Антенны радиомаяков DME

Радиомаяк системы DME (Distance measuring equipment) предназначен для формирования в пространстве навигационных сигналов, содержащих информацию об удалении любой точки действия радиомаяка от места его установки, и сигналов опознавания радиомаяка.

Антенна дальномерного радиомаяка РМД-90 излучает и принимает электромагнитные волны с вертикальной поляризацией в диапазоне частот 962…1213 МГц. Антенна имеет следующие характеристики:

- ширина ДН в вертикальной плоскости не более 11⁰;

- уровень ДН в вертикальной плоскости относительно максимума ДН в секторах угла места: от 0 до 20⁰ – не менее 0,2; от 20 до 40⁰ – не менее 0,05; от – 10 до – 40⁰ – не более 0,25;

- неравномерность ДН в горизонтальной плоскости не более 2 дБ;

- КСВ не более 1,5;

- ослабление в фидерном тракте антенны не более 1 дБ.

Конструктивно антенна представляет собой линейную неэквидистантную антенную решётку в виде вертикального ряда из восьми кольцевых излучателей, расположенных на опоре, с изменяющимся расстоянием от 0,18м между центральными (четвёртым и пятым) излучателями до 0,29м между излучателями в крайних верхней и нижней парах. Форма ДН в вертикальной плоскости близка к «косекансной» (рис. 6.9).

В горизонтальной плоскости формирование ненаправленной ДН обеспечивается синфазным и равноамплитудным возбуждением трёх горизонтальных щелей, равномерно распределённых в кольце излучателя. Диаметр кольца равен 0,43 λ₀, где λ₀ – средняя длина волны рабочего диапазона. Щели подключаются к общей точке питания через кабельные трансформаторы сопротивления длиной 0,22 λ₀, а кольцевые излучатели – через кабельные трансформаторы сопротивления длиной 0,33 λ₀, что обеспечивает широкополосное согласование со значением КСВ не более 1,3.

Требуемое амплитудно-фазовое распределение токов по кольцевым излучателям для создания “косекансной” ДН достигается путём использования делителя мощности с разными значениями ослабления входного сигнала по излучателям и разными длинами питающих излучатели кабелей РК-50-2-22. Все элементы делителя мощности выполнены на основе симметричной полосковой линии с волновым сопротивлением 50 Ом. Габаритные размеры делителя мощности: 120х179х44 мм, масса – не более 1,2 кг. Габаритные размеры антенны РМД-90: 2,18х0,26м, масса антенны не более 18 кг.

Рис. 6.8 Антенна РМА

Рис. 6.9 ДНА РМД в вертикальной плоскости

Антенны курсоглиссадных систем

Глиссадный радиомаяк (ГРМ) СП-90 обеспечивает информацию для управления ВС относительно оси ВПП в вертикальной плоскости, создавая линию глиссады. Характерной особенностью электромагнитного поля, измеряемого бортовой радиоаппаратурой, является разность глубин модуляции (РГМ) принимаемых на борту ВС сигналов. В качестве модулирующих сигналов используются сигналы частотой 90 и 150 Гц, причём сигнал с частотой 150 Гц должен преобладать в зоне ниже глиссады, а с частотой 90 Гц – в зоне выше глиссады до угла 1,75Ө₀, где Ө₀ – угол глиссады.

Антенная система ГРМ должна допускать регулировку угла глиссады Ө₀ в пределах 2…4⁰. Для работы ГРМ выделен диапазон частот 329,15…335,00МГц, который разбит на 40 частотных каналов. Поляризация поля излучения горизонтальная. ДН антенны должна обеспечивать зону действия ГРМ в горизонтальной плоскости относительно линии курса ±8⁰ и в вертикальной плоскости в секторе углов 0,45…1,75 Ө₀.

Антенное устройство представляет собой эквидистантную антенную решётку из двух или трёх излучателей, расположенных вдоль вертикальной мачты (рис. 6.10) на высотах h, 2h и 3h (при наличии третьей антенны) (рис. 6.10, рис. 6.11).

Рис. 6.10. Антенна ГРМ с двумя излучателями

Рис. 6.11 Антенна ГРМ с тремя излучателями

Высота h выбирается так, чтобы первый минимум интерференционной ДН антенны, расположенной на высоте 2h, находился под углом глиссады.

Антенная решётка одноканального радиомаяка формирует в вертикальной плоскости две ДНА: суммарную и разностную. Нуль разностной ДН находится под углом глиссады. Требуемые для формирования ДН амплитудно-фазовые распределения поля и высоты подвеса антенн для угла глиссады 3⁰ приведены в табл.2.1, где сигнал НБЧ – это сигнал несущей частоты, модулированный сигналами 90 и 150 Гц, спектр которого содержит гармоники f₀, f₀±90, f₀±150 Гц; сигнал БЧ – сигнал, спектр которого имеет гармонические составляющие на частотах f₀±90, f₀±150 Гц.

Таблица 6.1

Сигналом НБЧ первая и вторая антенны возбуждаются противофазно. В результате сложения полей двух антенн получается суммарная ДН, показанная на рис.2.23. Сигналом БЧ первая и третья антенны возбуждаются синфазно и противофазно второй. В результате сложения полей всех трёх антенн получается разностная ДН, показанная на рис. 2.24. Расчётные соотношения для электромагнитных полей, соответствующих суммарной и разностной ДН имеют, соответственно, вид

(2.29)

Боковые частоты одной частоты модуляции в разностном сигнале находятся в фазе, а другой – в противофазе с соответствующими боковыми частотами в суммарном сигнале. Поэтому при сложении полей суммарного и разностного сигналов в пространстве образуется поле несущей частоты, в котором сверху от глиссады преобладает глубина модуляции частотой 90 Гц, снизу – глубина модуляции частотой 150 Гц. На линии глиссады глубины модуляции несущей частотами 90 и 150 Гц равны.

Рис. 6.12 Схема антенны ГРМ

Для компенсации разности хода электромагнитных волн от излучателей антенной решётки до оси ВПП они смещены в плоскости, перпендикулярной оси ВПП, как это показано на рис. 6.12. При этом линия их размещения имеет вид дуги радиуса R, который может быть определён из соотношения R≈R₁+2h²/R₁, где R₁- расстояние от оси ВПП до основания мачты ГРМ. В соответствии с сертификационными требованиями это расстояние лежит в интервале 120…180 м.

Элементами антенной решётки ГРМ являются цилиндро-параболические антенны с раскрывом 2,04х0,9 м. В качестве облучателя используется система из трёх симметричных синфазных вибраторов 2, расположенных на фокальной линии FF^’ параболического цилиндра 1 (рис. 6.15). Расстояние между вибраторами равно 0,68 м. Питание вибраторов осуществляется с помощью полоскового делителя мощности, обеспечивающего амплитудное распределение тока по вибраторам 0,5:1:0,5.

Рис. 6.13 Формирование суммарной ДН

В каждую антенну встроены два контрольных зонда, представляющих собой четвертьволновые несимметричные вибраторы, расположенные перпендикулярно поверхности параболического рефлектора симметрично относительно центрального вибратора. Для защиты от осадков антенна закрыта укрытием из радиопрозрачного материала. Питание антенны осуществляется кабелем РК 50-9-11 длиной 25 м. Расчётный КНД антенны ГРМ равен 15.

Рис. 6.14 Формирование разностной ДН

Рис. 6.15 Схема элемента антенной решетки ГРМ

Курсовой радиомаяк. Директорная антенна используется в качестве единичного излучателя в линейной антенной решётке курсового радиомаяка (КРМ) СП-90. Директорная антенна состоит из активного петлевого вибратора и четырёх директоров. За активным вибратором расположен плоский рефлектор. В петлевые вибраторы встроены короткие симметричные вибраторы, играющие роль датчиков апертурного контроля параметров радиомаяка. Для защиты от метеорологических осадков и птиц активный петлевой вибратор вместе со встроенным в него контрольным вибратором помещены в защитный радиопрозрачный кожух из стеклопластика. Питание активного петлевого вибратора осуществляется через симметрирующее устройство в виде “U - колено”. Плоский рефлектор выполнен из горизонтальных дюралевых трубок.

КРМ обеспечивает информацию для управления самолётом относительно оси ВПП по азимуту, т.е. в горизонтальной плоскости. Общий вид двухканального КРМ приведён на рис. 6.16, а одноканального – на рис. 6.17. Антенная система устанавливается на продолжении осевой линии ВПП таким образом, чтобы линия курса (ось ВПП) совпадала с нормалью к оси линейной антенной решётки, шаг которой выбран 2,4 м. Основные технические данные антенны одноканального радиомаяка следующие:

- диапазон рабочих частот от 108,1 до 111,35 МГц;

- поляризация излучения горизонтальная;

- КНД около 40;

- зона действия в горизонтальной плоскости 10-ти элементной антенной решётки ±10⁰ и 12-ти элементной антенной решётки ±35⁰;

- высота подвеса антенны от 3,5 до 4 м;

- число частотных каналов 40.

Рис. 6.16 Антенная система двухканального КРМ

Рис. 6.17 Антенная система одноканального КРМ

Зоны действия КРМ в горизонтальной и вертикальной плоскостях приведены на рис. 6.18 и рис. 6.19, соответственно.

Рис. 6.18 Зона действия одноканального КРМ в горизонтальной плоскости

Рис. 6.19 Зона действия одноканального КРМ в вертикальной плоскости

Формирование зоны действия КРМ происходит следующим образом. ДНА является суммой двух диаграмм – суммарной и разностной. Суммарная ДН формируется при запитке антенной решётки в определённых амплитудно-фазовых отношениях сигналами несущей частоты, модулированными сигналами 90 и 150 Гц (сигнал НБЧ), а разностная ДН – только сигналами боковых частот (сигнал БЧ). При этом боковые частоты одной частоты модуляции в сигнале БЧ находятся в фазе, а другой – в противофазе с соответствующими боковыми частотами в сигнале НБЧ. В результате сложения электромагнитных полей сигналов БЧ и НБЧ в пространстве образуется поле несущей частоты, глубина модуляции которой частотами 90 и 150 Гц изменяется в пределах зоны действия радиомаяка.

Справа от линии курса (по направлению захода ВС на посадку) преобладает глубина модуляции несущей сигналом частоты 150 Гц, а слева – глубина модуляции несущей сигналом 90 Гц. На линии курса глубины модуляции несущей частотами 90 и 150 Гц равны, т.е. разность глубин модуляции РГМ равна нулю. При удалении от линии курса РГМ возрастает (рис. 6.20).

Таким образом, по величине РГМ можно судить о величине отклонения от линии курса, а потому, глубина модуляции какой частоты (90 или 150 Гц) является преобладающей, о стороне отклонения ВС от оси ВПП.

Антенная решётка из 10-ти излучателей для одноканального радиомаяка имеет амплитудно-фазовое распределение (АФР) тока по раскрыву, которое приведено в табл. 6.2. Суммарная ДН формируется шестью антеннами, а разностная – десятью. АФР тока по излучателям антенной решётки для 12-ти элементной АР представлено в табл. 6.3.

Рис. 6.20 Образование поля несущей частоты в пределах зоны действия КРМ

Таблица 6.2

Таблица 6.3

Антенны радиопеленгаторов

Антенная система наземного автоматического радиопеленгатора АРП-95 представляет собой кольцевую антенную решётку, в которой по окружности диаметром 3,2м расположены 16 симметричных вибраторов. В центре окружности находится центральный несимметричный вибратор (рис. 6.21). Антенна работает в диапазоне 118…137 МГц, поляризация поля антенны – вертикальная. Антенна устанавливается на мачту с высотой подвеса 6м. АРП-95 предназначен для измерения пеленга на воздушное судно, оборудованное радиостанциями ОВЧ диапазона, относительно места установки радиопеленгатора. Принцип работы АРП-95 поясняется на рис. 6.22.

Симметричные вибраторы А1…А16, расположенные по окружности, поочерёдно подключаются к одному из входов однополосного модулятора. При этом входные сигналы U₁ от переключаемых вибраторов А1…А16 модулируются сигналом с частотой “вращения” вибраторов. На второй вход однополосного модулятора поступает сигнал U₂ от неподвижного (центрального) несимметричного вибратора. С выхода модулятора сигнал U₃ подаётся на вход приёмника, на выходе амплитудного детектора которого образуются “биения” U₄ с частотой модуляции. Сигнал U₄ преобразуется в две квадратурные составляющие U₅ и U₆, из которых после обработки выделяется полезная информация о значении пеленга α.

Рис. 6.21 Антенное устройство АРП-95

Рис. 6.22 Схема, поясняющая принцип работы АРП-95