|
Работа в США по созданию антенных систем для носимых и портативных радиостанций
Полковник Ю. Марчев
Для разработчиков тактических средств связи наиболее сложной задачей является создание гой системы, способной обеспечивать прием и передачу сигналов в широком диапазоне частот. Прежде всего это относится к портативным и носимым радиостанциям. Важными требованиями заказчика к данным устройствам помимо обеспечения связи требуемого качества являются устойчивость к механическому воздействию, влиянию природных и погодных условий (влажность, перепад температур, запыленность) при выполнении военнослужащими задач на поле боя, а также совмещение антенны с элементами обмундирования для снижения визуальной заметности операторов связи как основных целей для снайперов противника.
После изучения в 1999 году возможных вариантов в качестве одной из наиболее перспективных антенных систем была выбрана COMWIN (COMbat Wear Integration), которая первоначально разрабатывалась для подразделений морской пехоты США. Особенностью этой системы, первый вариант которой получил обозначение Mark 1, является использование трех антенн различных диапазонов частот, встроенных в элементы обмундирования. Одно из требований к ее разработчикам заключается в обеспечении коэффициента стоячей полны по напряжению не более чем 3 : 1. В состав COMWIN вошли антенные системы следующих типов:
в виде полос (ширина около 2,5 см), расположенных вдоль поясницы и внешней стороны ног, обеспечивающая работу системы в диапазоне частот 2-30 МГц;
- в виде нагрудного жилета при работе на дальность прямой видимости
в диапазоне частот 30-500 МГц;
- нашлемная, действующая в диапазоне частот 500-2 400 МГц.
Элементы всех антенн выполнены из токопроводящей медесодержащей ткани ФЛЕКТРОН (FLECTRON).
Характеристики ткани ФЛЕКТРОН
Удельная масса
тканевой основы, г/м2 51-78
Удельный вес металла в ткани, г/м2 10-24
Толщина, мм 0,487
Поверхностное удельное сопротивление, Ом/см2 не менее 0,1
Коэффициент экранирования, дБ....8О
Предел прочности на разрыв, мм 131/324 Н/100
Максимальная кратковременно выдерживаемая температура, °С.,..+ 210
Жилет в варианте антенны Mark 1 был разделен на две практически одинаковые части горизонтальной диэлектрической полосой шириной 2,5 см. Нашлемную антенну выполнили в виде купола, также разделенного надвое горизонтальной диэлектрической полосой шириной около 1,5 см. Антенна для работы в КВ-диапазоне проходила вдоль поясницы, по внешней стороне брюк. Концы крепились на подошвах обуви. По замыслу разработчиков, это обеспечивало контакт с грунтом и улучшало рабочие параметры. Такие антенны обладают свойствами симметричного вибратора. Все они входят в состав COMWIN и подключаются с помощью коаксиальных кабелей к дуплексеру, обеспечивающему совместную работу элементов этой системы.
В ходе испытаний антенна, размещенная на жилете, показала приемлемое качество связи в диапазоне 250-500 МГц. Однако на участке диапазона частот 30-250 МГц отмечался повышенный коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН). Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости имела ярко выраженные нули и максимумы. Коэффициент усиления антенны изменялся от 2 дБ (на частоте 100 МГц) до 6 дБ (500 МГц).
Для устранения данных недостатков было предложено предать разделительной полосе пилообразную форму. Верхняя часть жилета имеет вдвое большую площадь, чем нижняя. Изменен также вид разделительной полосы у нашлемной антенны. Один из вариантов, получивший обозначение Mark 2, показал приемлемые результаты для диапазона 30-100 МГц, а также улучшение качества связи в остальной части диапазона рабочих частот. Однако данный вариант антенны в ходе тестирования не смог обеспечить необходимую дальность связи с радиостанциями серии «Синкгарс» (30-88 МГц). Встроенная в жилет антенна формировала диаграмму направленности (ДН) с максимумом излучения вдоль земной поверхности при нахождении военнослужащего в вертикальном положении. Если тот располагался горизонтально (лежал на грунте), то уровень сигнала в направлении других корреспондентов резко снижался.
В ходе дальнейших работ был создан вариант Mark 3 (рис. 1), главным отличием которого являлось то, что у жилетной антенны были две широкие горизонтальные полосы и два дополнительных излучающих элемента, проходящие через плечи под углом около 60° к горизонту (в виде подтяжек). Такое решение позволило формировать ДН антенны (в первую очередь в диапазоне частот 30-100 МГц) с приблизительно одинаковым распределением мощности в горизонтальной и вертикальной плоскостях и добиться устойчивой связи. Для согласования антенны последовательно коаксиальному кабелю подключили конденсаторы емкостью 68 пФ (диапазон 30-100 МГц), 24 пФ (100-500 МГц) и 56 пФ (30-500 МГц).
Антенну, закрепленную на шлеме, изготовили также в виде двух полос (вместо купола), разделенных диэлектрической лентой. Полосы соединили двумя несимметрично расположенными перемычками (0 и 60°), которые улучшают направленные свойства антенны (рис. 2). Для согласования ее работы с фидером использован последовательно включенный конденсатор емкостью 7,5 пФ.
Комплексное испытание варианта Mark 3 было проведено в конце 2002 года с использованием портативной радиостанции AN/PRC-148. Во время эксперимента проверялась возможность обеспечения связи во всем диапазоне рабочих частот с помощью всех трех элементов антенны. Связь организовывалась в режимах программной перестройки рабочей частоты и на фиксированных частотах на дальность прямой видимости при различных уровнях мощности передатчика. При нахождении военнослужащего в вертикальном положении двусторонняя связь обеспечивалась на дальностях до 9 км (при выходной мощности передатчика 3 Вт) и 6,2 к л (при 0,1 Вт), а в положении лежа на грунте - на дальность 6,2 км при максимальной мощности передатчика 5 Вт.
Проверка возможностей работы нашлемной антенны на частоте 2 400 МГц осуществлялась путем приема сигнала видеоизображения, передаваемого в цифровой форме со скоростью 11 Мбит/с от телевизионной камеры на экран малогабаритного персонального компьютера с использованием радиомодема, работающего по протоколу IEEE 802. lb. Передачу видеоизображения с приемлемым качеством удалось осуществлять на расстоянии до 160 м. На частоте 1 240 МГц с помощью нашлемной антенны обеспечивалась надежная связь
на дистанции до 6,2 км.
Возможности антенны, предназначенной для использования в диапазоне частот 2-30 МГц (закреплена вдоль поясницы и брюк), проверялись путем приема и передачи сигналов точного времени на частотах 5, 10, 15 и 20 МГц. В ходе тестирования сравнивались также основные характеристики данной антенны с рабочими параметрами штыревой. По заявлению разработчиков, коротковолновый элемент антенной системы COMWIN по своим возможностям сопоставим со штыревой антенной длиной 10 м.
Важным требованием, предъявляемым к антенной системе, является безопасность ее использования для здоровья человека. Изучение влияния отрицательных факторов электромагнитного излучения проводилось на всех этапах разработки. Учитывались воздействие, электрических и магнитных полей, создаваемых передающими элементами, а также способность к поглощению энергии этих полей единицей площади и объема тела человека. Исследования, проведенные рядом лабораторий США, позволили утверждать, что повышение температуры тела человека в локальной зоне, вызванное воздействием передающей антенны, работающей на частотах 2-2 500 МГц, составляет менее 1°С, что является допустимой величиной. Измерение воздействия излучений в области головы при использовании кевларового защитного шлема, а также туловища и ног во всем диапазоне рабочих частот не выявило превышения норм, допустимых стандартами по безопасности для человека со средними массой и габаритами. Тем не менее исследования в этой области продолжаются.
Испытание варианта Mark 3 показало, что по основным характеристикам эта антенна имеет параметры, аналогичные штыревой, а в диапазоне 225-400 МГц превосходит их. Нашлемная антенна имеет соответствующие требованиям характеристики в диапазоне частот 400-2 400 МГц. Одним из недостатков системы COMWIN является отсутствие возможности работать через ИСЗ-ретрансляторы.
Для обеспечения спутниковой связи в УКВ-диапазоне в интересах подразделений морской пехоты и сухопутных войск ведется разработка антенны, которая будет размещаться в элементах обмундирования военнослужащего. К ней предъявляются следующие основные требования: диапазоны рабочих частот 243-270 МГц (прием) и 292-317 МГц (передача); КСВН - не более 3:1; использование сигналов с круговой поляризацией; максимальное излучение в зенит со слабо выраженными направленными свойствами в горизонтальной плоскости; малые масса, габариты и визуальная заметность.
Проведенные исследования показали, что данным требованиям более всего соответствует двухзаходная спиральная антенна, размещенная на кевларовом защитном шлеме. Несимметричные спирали, расходящиеся от центра шлема, выполнены из коаксиального кабеля диаметром 1 см (рис. 3), при этом центральная жила одной из них припаивается к экранирующей оплетке другой. Подключение фидера питания осуществляется в центре.
Сверху антенна имеет покрытие из нейлона толщиной 1 см, которое выполняет защитные функции, а также улучшает ее электрические характеристики. Нейлон обладает высокими изоляционными свойствами (диэлектрическая постоянная 4,3), что способствует снижению КСВН и расширению на 30 МГц диапазона рабочих частот в нижней его части.
В ходе работ удалось добиться необходимых характеристик диаграммы направленности антенны. В угломерной плоскости ее ширина по уровню мощности 0,5 составляет около 120°, а в горизонтальной не имеет выраженной направленности.
Изучение рабочих свойств антенны выявило положительное влияние тела человека на ее характеристики. Так, например, голова, являющаяся в данном случае рефлектором, снижает КСВН и сглаживает его пики во всем диапазоне рабочих частот. Кроме того, понижается мощность в заднем лепестке диаграммы направленности и увеличивается в основном.
Таким образом, в качестве возможного варианта антенны спутниковой связи для носимых радиостанций может использоваться спиральная, размещенная на защитном шлеме военнослужащего (рис. 4). Она имеет волновое сопротивление 50 Ом. Толщина антенны с учетом нейлонового покрытия составляет 2 см. Она рассчитана на работу как с перспективными радиостанциями семейства «Джейтрс», так и с уже существующими средствами спутниковой связи. В качестве недостатка этого устройства кроме увеличения физической нагрузки на шею и плечи военнослужащего отмечается некоторое уменьшение его поля зрения.
Данный вариант может использоваться совместно с антеннами других диапазонов, встроенными в элементы обмундирования военнослужащего
Зарубежное военное обозрение №12 2005
Смотрите также
|
