СУДОСТРОЕНИЕ 6'2000
НАПРЯЖЕНИЯ, НАВОДИМЫЕ НА КОРАБЕЛЬНЫЕ АКТИВНЫЕ ПРИЕМНЫЕ АНТЕННЫ В ПЕРЕИЗЛУЧАЮЩЕЙ СРЕДЕ
А. М. Бобков, канд. техн. наук (НИЦ связи ВМФ), А. Н. Алещенко, канд. техн. наук (Балтийский ВМИ)
Приемные электрически короткие активные антенны (АА) находят все более широкое применение на кораблях различных типов благодаря малым размерам и высокой широкополосности [1, 2]. Однако при использовании таких антенн возможно существенное ухудшение приема сигналов за счет появления большого количества нелинейных помех, образующихся в усилителе АА вследствие эффекта интермодуляции мощных помех от близкорасположенных радиопередатчиков с множеством станционных помех
[3, 4].
Наиболее сложные условия возникают в диапазоне коротких волн (КВ), где мощности передатчиков велики, а возможности увеличения расстояния между приемными и передающими антеннами ограничены. Возможности повышения линейности усилителей на практике также невелики. В связи с этим важное значение приобретает вопрос снижения уровней помех, наводимых на вход усилителя АА от близкорасположенного радиопередатчика.
Одним из известных методов снижения уровней помех является применение антенного элемента (АЭ) магнитного типа (МЭ) вместо электрического (ЭЭ), поскольку первый обладает меньшей восприимчивостью к полю мощной помехи в ближней зоне излучателя электрического типа [5, 6]. Однако расчеты показывают, что заметный выигрыш в уменьшении уровней помех возможен только при очень малом расстоянии между приемной и передающей антеннами [5]. Так, на частоте 10 МГц выигрыш в два раза достигается при расстоянии всего 2,5 м. При таком малом расстоянии уровни наводимых мощных помех в АА обычно настолько велики, что применение МЭ не спасает усилитель АА от перегрузки. В действительности выигрыш возможен и при больших расстояниях между антеннами. Дело в том, что на реальных объектах связи приемная антенна работает обычно в окружении большого количества переизлучателей (элементы конструкции корабля, верхнепалубное оборудование, металлические оттяжки и др.). И если по отношению к основному излучателю она обычно находится в поле дальней зоны, то по отношению к переизлучателям она часто оказывается в поле ближней зоны.
Ниже приведены результаты экспериментального исследования выигрыша в уменьшении наведенных напряжений помех в приемной АА при использовании МЭ вместо ЭЭ в условиях переизлучающей среды. Будем считать, что по отношению к сигналам дальней зоны напряженностью Ес активные антенны с МЭ и ЭЭ идентичны с точки зрения напряжений на их выходах имэ и иээ соответственно [6]. Пусть для обеспечения этой идентичности в АА включены высокоомные по входу некоторые согласующие элементы с коэффициентами передачи Кмэ и Кээ, обеспечивающие равенство имэ = иээ (рис. 1). В свою очередь
имэ = Ес Ьдмэ Кмэ ; иээ = Ес Ьдээ Кээ , (1)
где Ьдмэ и Ьдээ — действующие высоты МЭ и ЭЭ соответственно.
Из формулы (1)получаем
Кмэ/Кээ = ^дээ.
А
(2)
Выигрыш по снижению наведенных уровней мощных помех будем оценивать по отношению напряжений на выходах согласующих элементов
Э = иээ/имэ,
(3)
которое для помех ближней зоны может быть больше 1. С учетом (2) получаем
Э = (Еээ Кээ)/(ЕМэ Кмэ) = = (Еээ/Ьдээ)/(Емэ/Ьдмэ) .
(4)
В эксперименте в качестве МЭ использовалась круглая рамка диаметром 0,75 м с повышающим трансформатором (коэффициент трансформации п = 1:10), в качестве ЭЭ — штырь высотой Ь = 1м.
В диапазоне КВ оба этих АЭ являются электрически короткими с действующими высотами
Ьдмэ= (2^п)Л; Ьдээ = Ь/2 ,
(5)
где Э — площадь рамки; X — длина волны колебания помехи.
ЭЛ1ШО- И РАДИООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ ~ судостроенИТ^Т
а)
б)
[ Рамка уг
Штырь
Рис. 1. Приемные антенны магнитного (а) и электрического типа (б)
В процессе эксперимента измерялись наводимые ЭДС на рамке Емэ и штыре Еээ. Для исключения наводок помех непосредственно на измерительный прибор использовался вольтметр с батарейным питанием, который помещался в экран, соединенный с корпусом корабля. Выигрыш определялся по выражению (4) при заранее вычисленных Ьд. Измерения проводились на двух кораблях, отличающихся архитектурой и расположением элементов конструкции корабля и верхнепалубного оборудования — потенциальных переизлучателей.
Для проверки идентичности измерительных трактов по отношению к сигналам (дальняя зона) определялась величина выигрыша Э в контрольной точке (край кормы), наиболее удаленной как от передающей антенны (расстояние г~ 40 м), так и от большинства потенциальных переизлучателей, на частотах излучения передатчика f> 10 МГц. При всех измерениях плоскость рамки направлялась в сторону передающей антенны и немного отклонялась в разные стороны до получения максимума наведенного напряжения. Это позволяло избежать попадания наиболее мощных переизлучений в минимум диаграммы направленности рамки и практически исключить погрешность сравнения, вызванную различием диаграмм направленности у штыря и рамки. Результаты измерений на обоих кораблях получились очень близ-
кими. В качестве образца на рис. 2 приведены результаты измерений для первого корабля. Из графика видно, что по отношению к сигналу тракты в целом достаточно идентичны (Э ~ 1), за исключением отдельных частот, на которых отклонение не превышало 6 дБ.
Анализ графиков зависимости полученного выигрыша от частоты излучения передатчика при различных расстояниях г от передающей антенны (рис. 3, 4) показывает, что с приближением АА к передающей антенне выигрыш сначала быстро увеличивается по мере приближения к множеству переизлучателей, а затем, по мере вхождения в переизлучающую среду, его рост замедляется. При этом выигрыш может быть значительным — более 10 дБ (или более чем в три раза). Полученный результат свидетельствует о том, что в реальных условиях окружения приемных антенн переизлучающими элементами эффективность применения на кораблях антенн магнитного типа может быть существенно выше, чем предполагалось до сих пор.
Пусть в качестве согласующих элементов используются усилители (случай АА). Современные усилители профессиональных АА строят по многокаскадной схеме [2, 7, 8]. В правильно спроектированном усилителе нелинейные эффекты определяются главным образом выходным, наиболее мощным каскадом, предназначенным для согласования
усилителя с низкоомным волновым сопротивлением фидера. Поэтому снижение уровней помех на выходе АА (на выходном усилителе) будет способствовать уменьшению нелинейных (интермодуляционных) помех, возникающих в усилителе АА.
Кроме того, снижение уровней наводимых напряжений помех позволяет:
улучшить прием сигналов за счет снижения уровней нелинейных помех, возникающих в других элементах антенного тракта под воздействием мощных помех от передатчика (в усилителях-разветвителях сигналов, электронных коммутаторах и др.), а также за счет существенного снижения уровней шумовых и интермодуляционных помех в тракте, рождающихся вблизи антенны на неплотных соединениях элементов оборудования и такелажа при их облучении мощным полем радиопередатчиков;
уменьшить допустимое расстояние между приемной АА и передающими антеннами и тем расширить возможности применения АА на кораблях;
снизить обычно очень высокие требования к линейности усилителей АА до значений, которые могут быть реализованы на практике;
снизить требования к избирательности входной части радиоприемников и использовать более простые и дешевые их модификации.
Другими важными преимуществами использования магнитных антенн являются:
существенное (до 4—5 раз) увеличение уровней принимаемых сигналов ближней связи (менее 300 км), получаемое благодаря отсутствию минимума диаграммы направленности в вертикальной плоскости, присущего антеннам штыревого типа;
улучшение приема сигнала за счет практического отсутствия «изре-занности» диаграммы направленно-
Рис. 2. Зависимость выигрыша по наведенному напряжению помехи от ее частоты в контрольной (самой дальней) точке на первом корабле
Рис. 3. Зависимости выигрыша от частоты при расстояниях между приемной и передающей антеннами 6 м (7) и 18 м (2) на первом корабле
Рис. 4. Зависимости выигрыша от частоты при расстояниях между приемной и передающей антеннами 5 м (7) и 22 м (2) на втором корабле
СУДОСТРОЕНИЕ 6'2000
ЭЛЕКТРО- И РАДИООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ
сти вследствие слабого влияния на нее антенны магнитного типа близкорасположенных металлических конструкций корабля.
Реализация широкополосной магнитной активной антенны с достаточно высокой линейностью и чувствительностью, пригодной для установки на корабле, долгое время оставалась сложной технической проблемой из-за малой действующей высоты МЭ. Одной из первых удачных разработок в 80-х годах стала отечественная всенаправлен-ная низкопрофильная ферритовая антенна КВ-диапазона 1,5—30 МГц воронежского ОКБ «Феррит». С 1998 г. американская фирма Racal начала выпуск аналога этой антенны под маркой МА1308 (рис. 5).
Таким образом, благодаря применению в условиях сложной электромагнитной обстановки корабля
Рис. 5. Низкопрофильная ферритовая магнитная антенна КВ-диапазона типа МА1308 компании Racal (США)
вместо активных антенн электрического типа антенн магнитного типа возможно существенное снижение помех в приемном тракте и улучшение приема сигналов. Литература
1. Trollope L. T., Lauder W. E. A New HF Communication System Architecture for Ships//2-nd Conf. on Commun. Systems and Techniques, 15-17 Febr., 1982, IEEE, London.
2. Вершков М. В., Миротворский О. Б. Судо-
вые антенны. Л.: Судостроение, 1990 (Библиотека судового инженера-связиста).
3. Бобков А. М. Требования к линейности широкополосной активной антенны в условиях воздействия мощной помехи//Радиотехника. 1988. № 9.
4. Бобков А. М. и др. Результаты экспериментального исследования эффективной избирательности радиоприемников с различным построением входных каскадов//Техника средств связи. Техника радиосвязи. 1983. Вып. 8.
5. Петровский В. И., Седельников Ю. Е. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1986.
6. Щукин А. Н. Прием длинных и средних волн в поле мощной п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.