Пути модернизации радиопрозрачных укрытий антенных систем радиотехнических средств

ПУТИ МОДЕРНИЗАЦИИ РАДИОПРОЗРАЧНЫХ УКРЫТИЙ АНТЕННЫХ СИСТЕМ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Бердышев Валерий Петрович

профессор Военной академии воздушно - космической обороны имени Маршала Советского Союза Г. К. Жукова, доктор технических наук, профессор

Бердышев Роман Валериевич

младший научный сотрудник Военной академии воздушно - космической обороны имени Маршала Советского Союза Г. К. Жукова, кандидат технических наук

Кордюков Роман Юрьевич

начальник управления научно - исследовательской деятельности и технического сопровождения передовых технологий (инновационных исследований) Министерства обороны Российской Федерации, кандидат технических наук

Хрипун Сергей Иванович

советник начальника отдела Департамента по обеспечению госзаказа Министерства обороны Российской Федерации

Сергиенко Сергей Владимирович

старший офицер отдела оперативного управления штаба Командования Войск воздушно-космической обороны

Попов Павел Георгиевич

профессор кафедры математики и вычислительной техники Тверской государственной сельскохозяйственной академии, доктор технических наук, профессор

Аннотация

В работе рассматриваются основные направления и пути модернизации радиопрозрачных укрытий антенных систем радиотехнических средств, обеспечивающие выполнение требований по ЭМС, повышение скрытности и помехозащищенности.

Ключевые слова

• радиопрозрачные укрытия,

• электромагнитная совместимость

Значительная часть радиотехнических средств (РТС) размещаются и эксплуатируются в районах со сложными климатическими условиями, т.е. Крайнего Севера, побережья Тихого океана, а также в горной и пустынной местности. Их экс-

плуатация затруднена такими факторами, как ветровые нагрузки до 70 м/с, снег, лед, повышенная влажность, морской туман и т.д. При определенном сочетании указанных факторов, эксплуатация РТС становится и вовсе невозможной, а также появляется возможность аварий, связанных с повышенными ветровыми нагрузками, обледенением антенн. Последствия воздействия неблагоприятных климатических факторов демонстрирует (см. Рисунок 1). РПУ предназначены для защиты антенных систем (АС) РТС сантиметрового, дециметрового (РПУ 63У6Е) и метрового (РПУ 64У6Е) (см. Рисунок 2) диапазонов от воздействия метеорологических факторов и улучшения условий эксплуатации с целью повышения боевой готовности укрываемых средств 1

Цель работы - обосновать основные направления совершенствования и модернизации радиопрозрачных укрытий антенных систем РТС, направленные на обеспечение выполнения требований по ЭМС, повышению помехозащищенности и скрытности РТС.

Основные требования к техническим характеристикам РПУ заключаются в обеспечении устойчивости изделий к неблагоприятным климатическим факторам: воздушный поток на уровне

центра оболочки РПУ - до 70 м/с; снеговая нагрузка на горизонтальную поверхность - до 250 кг/кв.м. Кроме того, для обеспечения нормальной работы укрываемых станций задаются и другие тактико-технические характеристики: РПУ должно обеспечивать укрытие антенн РЛС и их применение во всех режимах работы при азимутальном вращении антенн в пределах 360° и сканировании диаграмм направленности по углу места от 2° до 60°; ошибка, вноси-

мая РПУ в измерение угловых координат, укрываемых РЛС, должна быть не более 1 угловой минуты.

Исходя из назначения РПУ, к ним предъявляют ряд различных сложных и противоречивых требований по механической прочности, термостойкости, радиопрозрачности и уменьшению искажений характеристик излучения антенн. РПУ приводят к амплитудным искажениям поля антенны за счет частичного поглощения электромагнитной энергии (ЭМЭ) в материале РПУ и отражения от стенок, а также к фазовым искажениям, связанным с прохождением плоской волны через неплоскую поверхность укрытия. Эти искажения приводят к уменьшению дальности действия РТС и ухудшению их точностных характеристик. Указанные выше требования должны учитываться при разработке конструкции РПУ, выборе материала и технологии изготовления2, 3.

Проведенный анализ существующих и разрабатываемых РПУ показал, что высокие ветровые нагрузки требуют прочного каркаса, а требования по радиопрозрачности противоречат требованиям по механической прочности. В этой связи предлагаются компромиссные решения по выбору новых материалов, связующих и покрытий для изготовления укрытия3. Использование новых материалов может гарантировать большой срок службы РПУ до капитального ремонта и средний срок. Следует отметить, современные технологии позволяют получать материалы с уникальными характеристикам. Кроме указанных требований в известных публикациях рассматривается задача экранировки РЛС в различных условиях обстановки. Исследуются вопросы выбора многослойного покрытия оптимальной толщины, обладающего необходимым уровнем отражения и поглощения4.

Большой практический интерес представляет расчет конструкции стенок и выбор материала по заданным амплитудно-фазовым характеристикам РПУ, т.е. решение задачи синтеза. Следует различать параметрический и структурный синтез.

Параметрический синтез предполагает определение параметров каждого слоя, если предварительно выбрана структура стенки. Структурный синтез решает более общую задачу - построение оптимального РПУ с расчетом конструкции стенок и их параметров. Благодаря электродинамической эквивалентности диэлектрических слоистых стенок со ступенчатыми линиями передачи, при решении задач их синтеза пригодны хорошо разработанные методы синтеза СВЧ ступенчатых переходов и фильтров3, 5.

По аналогии с фильтрами можно рассчитывать стенки с функциями рабочего затухания чебышевского или максимально плоского типа в рабочей полосе частот. Функция рабочего затухания, введенная по аналогии с фильтрами, равна обратной величине квадрата модуля коэффициента прохождения 1/|Т|2. В методе синтеза стенок РПУ, заимствованном из теории фильтров, в качестве критерия оптимизации используется минимизация модуля коэффициента отражения в рабочей полосе частот с учетом различных углов падения и поляризации волны на стенки РПУ.

Рассмотрим особенности выполнения требований к РПУ по ЭМС по аналогии с фильтрами СВЧ при воздействии помех в РТС сетей беспроводного доступа и земными станциями (ЗС) фиксированной спутниковой службы (ФСС). Типовой помеховый сценарий между РЭС беспроводного доступа и ЗС ФСС предполагает наличие базовой станции с все-направленной или секторной антенной, абонентских станций, размещенных в произвольных точках зоны обслужива-

ния сети, с направленными антеннами, строго ориентированными на свои базовые станции, и, собственно, земной станции, работающей с космическим аппаратом на геостационарной орбите.

В частности, детальные исследования показали, что результатом воздействия помех на ЗС ФСС являются: ухудшение качества приема информации, выраженное в увеличении количества ошибочно принимаемых битов; срыв синхронизации9. Срыв синхронизации носит пороговый характер и имеет место в случае превышения мощности помехи, проходящей во входные цепи приемника, порогового уровня. Чаще всего срыв синхронизации обусловлен одним из следующих процессов во входных цепях приемника: перегрузка (блокировка) малошумящего усилителя, конвертора или демодулятора интегральными помехами в полосе частот рабочего ствола ЗС; нарушение работы системы наведения антенны интегральными помехами в полосе частот рабочего ствола ЗС; недопустимое ухудшение качества приема в каналах синхронизации; прохождение помехи в цепи фазовой автоматической подстройки частоты .

Влияние взаимных помех на качество функционирования РТС может быть исключено или сведено к минимуму путем комплексного применения специальных технических и организационных мероприятий, содержание которых существенно зависит от вида и параметров помех и причин их возникновения.

Мероприятия по обеспечению ЭМС делятся на организационные и технические5-8. Суть организационных мероприятий заключается в соблюдении установленных ограничений на работу РЭС по частотам, территории (пространству), времени и режимам, учету электромагнитной обстановки (ЭМО) при планировании работы РТС и основаны,

главным образом, на введении определенных "запретов" при функционировании РЭС. Организационные меры определяют направления и пути разработки и производства РТС с учетом требований ЭМС. Представленные направления работ весьма актуальны, однако в условиях, когда резко усложняется ЭМО из-за того, что большинство РТС будут работать без временных, энергетических и частотных ограничений, основную роль будут играть технические меры.

Основными техническими мероприятиями обеспечения условий ЭМС являются: снижение уровней внеполосных излучений (ВПИ) и побочных излучений (ПБИ) радиопередающих устройств (РПД) путем фильтрации радиоизлучений и другими способами: подавление (снижение чувствительности) по побочным каналам приема (ПКП) радиоприемных устройств (РПрУ) РТС за счет применения фильтров, правильного выбора промежуточной частоты, улучшения избирательных свойств селектирующих трактов; экранирование электромагнитных полей межблочных кабелей и отдельных каскадов РПрУ и РПД РТС, а также применение развязки по цепям питания; применение блан-кирующих сигналов, обеспечивающих кратковременное запирание приемных трактов различных РТС на время излучения мощных радиоимпульсов, использование узких ДН антенн и другие.

Технические мероприятия, основными из которых являются снижение уровней ВПИ и ПБИ РПД, а также подавление (уменьшение чувствительности) ПКП в РПрУ с помощью электрических фильтров лишь частично отвечают потребностям практики. Перечисленные выше мероприятия малоэффективны и по причине того, что действующие в настоящее время стандарты и нормы по

ЭМС не в полной меpе отвечают требованиям в условиях крайне сложной ЭМО в воздухе и на земле, а по некоторым показателям уступают мировым8. Стремление обеспечить выполнение условий ЭМС, как правило, сопровождается увеличением потерь в полосе пропускания, массо-габаритных показателей и стоимости изделий. В диапазоне СВЧ, где ФС и покрытия РПУ строятся на основе отрезков однородных передающих линий, их общим недостатком является наличие паразитных полос пропускания (ППП), возникающих из-за многорезонансности линий и различных паразитных связей. Это ограничивает протяжённость полосы заграждения и уровень затухания в ней.

На Рисунке 3 показано взаимодействие излучения передатчика РЛС со средой и покрытием. Падающая ЭМВ частично отражается в направлении на приемную антенну, частично рассеивается покрытием в различные от антенны стороны, частично поглощается покрытием и частично проходит через покрытие. Для эффективной работы РТС необходимо снижение мощности

помех РП, мощности «паразитного» излучения Р''ИЗЛ на кратных гармониках, мощности переотраженного излучения Рпп МП, возникающее из-за эффекта нелинейной локации при отражении от местных предметов (МП) и мощности отражения от покрытия Р''ЭКР.

Снижение интенсивности внешней помехи обусловлено однократным прохождением через покрытие. Поэтому необходимо применение тонких высокоэффективных экранирующих материалов. Снижение влияния переотражения обусловлено двухкратным прохождением через экран. Однако в этом случае возникают проблемы интерференционных переотражений от экранирующего покрытия, мешающих нормальной работе приемной антенны. Поэтому материал экрана, кроме достаточной экранировки должен обеспечивать снижение собственного коэффициента отражения. Эта задача может быть решена применением градиентного распределения сопротивления радиопрозрачного материала (РПМ) от внутреннего слоя к наружному. В качестве слоев целесообразно использовать радиопоглощающие материалы с

Переотраженное

излучение С , , З^,... пГо) р

пп МП Прошедшее

излучение -Рп

Побочные каналы

приема 11}

Р<

отр - 1 изл

Полезный сигнал ^

Рис.3

Многослойный экран-покрытие

Ь,дБ Основная полоса 4 ч пропускания^_ Паразитные полосы пропускания

4 / 4 ' 1 ' < К '

\ 1 1 \/ \1 \1 \1 \! ,

0 1 2 3 4 7 рс0

к.ф.и;

Рис.4

О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 ^ ГГц

Рис.5

заданными свойствами, для улучшения механической прочности которых представляется возможным их эксплуатировать в многослойных структурах.

На Рисунках 4 и 5 соответственно показаны характеристики затухания фильтров СВЧ и амплитудно-частотная зависимость коэффициента отражения известного материала11, из которого выполнено покрытие РПУ. Видно, что эти устройства помимо основной имеют паразитные полосы пропускания (111111), через которые излучаются зондирующие сигналы и их гармоники, и образуются паразитные каналы приема. Требуемая характеристика затухания покрытия РПУ показана на Рисунке 4 пунктиром.

Как видно из Рисунков 4,5 требуется устранять побочные каналы приема в широкой полосе заграждения (ПЗ), определяемой требованиями по ЭМС. Для наземных РТС величина разноса резонансных частот составляет 1:7, а для космических - 1:11. Важным параметром ПЗ является коэффициент затухания L, связанный с коэффициентом отражения Г и прохождения Т известными выражениями. Величину L в областях ППП необходимо повышать при ограничении на Т в полосе прозрачности.

Одной из важнейших тактических характеристик РЛС, антенная система которой находится под РПУ, является ее помехозащищенность, которая определяется скрытностью работы станции и её помехоустойчивостью. Под скрытностью РЛС понимают вероятность обнаружения её работы и измерения основных параметров радиосигнала средствами радиотехнической разведки противника за определенное время. Скрытность обеспечивается за счет: применения остронаправленных антенн с низким уровнем боковых лепестков, что достигается уменьшением длины волны и созданием специального амплитудно-фазового распределения на

раскрыве антенны; уменьшения излучаемой мощности; 3) скачкообразного изменения основных параметров зондирующего сигнала (частоты несущих колебаний, длительности импульсов, периода повторения, поляризации излучаемой волны). Остановимся на первом направлении.

Боковые лепестки ДНА РЛС характеризуют излучение и приём электромагнитной энергии вне основного направления. Это свойство антенн приводит к появлению ложных целей, к снижению помехозащищенности и скрытности РЛС. Прием эхо-сигналов целей по боковым лепесткам затрудняет определение их истинных координат. Кроме того, боковые лепестки вызывают уменьшение чувствительности приемника за счет приема дополнительных шумов из окружающего пространства в определенном диапазоне частот. Диапазонность антенны определяется полосой частот, в пределах которой основные параметры антенны не выходят за пределы допустимых значений. Антенны РЛС, как правило, удовлетворяют заданным параметрам при изменении частоты в пределах 10-20% от средней рабочей частоты передатчика РЛС. Исследования показывают, что снижение уровня ДНА в области боковых и задних лепестков на 25...30% относительно их значений для детерминированной составляющей диаграммы направленности приводит к повышению вероятности обнаружения сигнала и снижению вероятности обнаружения имитирующей помехи.

Известно, что пространственная селекция является универсальным методом защиты от помех, так как обеспечивает защиту от любых типов помех, источники которых не совмещены по угловым координатам с источником полезных сигналов. Она реализуется: уменьшением угловых размеров главного лепестка ДН приемной антенны; снижением уровня боковых лепестков ДН приемной антенны; умень-

шением уровня приема в направлениях на постановщики активных помех.

В первом случае затрудняются условия создания АТТТП по главному лепестку ДНА в режиме внешнего прикрытия цели, а во втором и третьем случаях -ослабляется мешающее (маскирующее) действие помех. Ширина ДНА по уровню половинной мощности 0о0)5р, как известно, определяется соотношением 0°0,5р = Срас Я/ Ц„т, где Срас - коэффициент, числовое значение которого лежит в пределах 50...80 и определяется видом амплитудного распределения поля в раскрыве антенны; - линейный размер антенны в соответствующей плоскости; Я - длина волны. Из приведенного соотношения следует, что для уменьшения угловых размеров главного луча ДНА необходимо уменьшать рабочую длину волны РЛС и увеличивать размер антенны. Первый путь приводит к ухудшению помехозащищенности РЛС в условиях пассивных помех и увеличению потерь энергии в атмосфере, а второй -к увеличению массы и габаритов РЛС и снижению её мобильности.

Для подавления уровней боковых и задних лепестков ДНА целесообразно использовать многослойные радиопоглощаю-щие материалы с заданными свойствами. От вида поляризации излучаемых сигналов зависит интенсивность мешающих отражений от земной или водной поверхности. Например, обратные отражения от поверхности земли, покрытой растительностью, при вертикальной поляризации более интенсивны, чем при горизонтальной. Спокойная морская поверхность, наоборот, в направлении на РЛС лучше отражает горизонтально поляризованную волну. Следовательно, при расчетах материалов для построения РПУ необходимо учитывать вид поляризации и диапазоны изменения углов падения ЭМВ. В этой связи необходимо введение пространственной селекции сигналов для антенн РТС в РПУ с механи-

ческим сканированием ДН в азимутальной плоскости для уменьшения уровня бокового излучения системы "антенна-укрытие", то есть, создание бегущего "радиопрозрачного окна" в верхней секции антенного укрытия с апертурой равной апертуре укрываемой антенны в том направлении, куда в данный момент времени направлен главный луч ДНА, а во всех других направлениях укрытие является непрозрач-ным и, тем самым, отсекается излучение и прием сигналов азимутальными боковыми лепестками антенны укрываемой РЭС10. Другими словами, необходимо вращать, совместно антенной системой РТС, и конструкцию РПУ Указанное обеспечивает достижение положительного эффекта - возможность пространственной селекции сигналов и уменьшение уровня боковых лепестков, что улучшает электромагнитную обстановку (совместимость) нескольких РЭС, расположенных на определенной территории, уменьшает радиолокационную заметность укрываемого изделия и по-вышает его помехозащищенность, а также способствует повышению механической прочности укрытия.

Принцип действия укрытия заключается в следующем. В отличии от известных укрытий, которые практически беспрепятственно пропускают ЭМЭ, излучаемую (принимаемую) зеркальной антенной, во всех направлениях и служат в основном для защиты антенны от неблагоприятных факторов внешней среды, в модернизируемых укрытиях наряду с сохранением ими защитных свойств требуется обеспечение пространственной селекции сигналов в угломестной и азимутальной плоскостях для антенны РЭС с механическим сканированием ДНА в азимутальной плоскости и уменьшение уровня бокового излучения системы "антенна-укрытие".

Разработаны радиопоглощающие материалы (РПМ), применение которых позволяет повысить обнаружительную

способность антенных устройств подповерхностного зондирования (георадров) за счет подавления электромагнитных помех в верхней полусфере11. Материалы используют для создания укрытия георадаров в верхней полусфере. Такое укрытие представляет собой объемную многослойную структуру на основе пенополиуретана, состоящую из слоев с заданными резистивными свойствами. Высокий коэффициент поглощения обеспечивается применением углеродных наполнителей. Свойства материалов определяются сочетанием структуры пенополиуретана и физико-химическими свойствами углеродного наполнителя, что позволяет оптимизировать электрофизические свойства материалов для повышения эффективности работы георадара в целом.

Испытания георадаров серии «ОКО-2» с центральной частотой 400 МГц в комбинации с РПМ, состоящим из четырех слоев композиционного материала, подтвердили целесообразность использования разработанного РПМ в качестве материала РПУ, для снижения посторонних сигналов в верхней полусфере до -16...- 20 дБ при отсутствии искажения зондирующего сигнала11.

Таким образом, основными направлениями совершенствования и модернизации РПУ антенных систем РТС, направленными на обеспечение выполнения требований по ЭМС, повышение помехозащищенности и скрытности РТС, являются:

- разработка метода синтеза многослойных диэлектрических структур с увеличенной полосой заграждения для построения антенных систем РПУ в интересах обеспечения требований ЭМС;

- разработка метода синтеза многослойных диэлектрических структур, обеспечивающего подав-ление уровней боковых и заднего лепестков ДНА в РПУ при заданной поляризации и диапазоне углов падения ЭМВ и реализуемого путем совместного

вращения антенной системы и РПУ

Решение этих важных задач при построении РПУ на многослойных диэлектрических структурах может существенно повысить дальность действия РТС, улучшить их характеристики с точки зрения ЭМС, скрытности, помехозащищенности и значительно снизить массо-габаритные показатели.

Литература

1. Оружие и технологии России. Энциклопедия. XXI век. ПВО и ПРО. / Под ред. С. Б. Иванова. - Т.9. - М.: Оружие и техноло-гии, 2004.

2. Справочник по радиолокации: т.2.// Пер. с англ. / Под ред. М. И. Сколника. - М.: Сов. радио, 1977.

3. Устройства СВЧ и Антенны./ Под. ред. Д.И. Воскресенского. Изд. 3-е, испр. и доп. - М.: Радиотехника, 2008.

4. Горбатенко О.Н., Бибиков С.Б. Использование радиопоглощающих материалов для защиты георадара от электромагнитных помех. // Специальная техника. - №3. - 2006.

5. Бердышев В.П., Синицын А.В. Развитие методов синтеза и построения фильтрующих устройств СВЧ на неоднородных линиях. Часть 1., Часть 2. // Монография.- Тверь, ВУ ПВО, 2001, 2002.

6. Князев А.Д. Элементы теории и практики обеспечения ЭМС РЭС. - М.: Радио и связь, 1984.

7. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем./ Под ред. Н.М. Царькова. - М.: Радио и связь, 1985.

8. Бадалов АЛ., Михайлов А.С. Нормы на параметры ЭМС РЭС: Справочник. - М: Радио и связь, 1990.

9. Методика расчета электромагнитной совместимости между радиоэлектронными средствами сетей беспроводного доступа и земными станциями фиксированной спутниковой службы гражданского применения в полосе частот 3400-4200 МГц. - М.: 2002.

10. Патент № 2073941, МПК7 Н0^1/42 на изобретение "Антенное укрытие ". Приоритет от 27.05.1993, заявка № 93028521/09, опубл. 20.02.1997. / Гембицкий С.Ю.; Каримов И.А.; Якорнов Е.А. (РФ).

11. Смольникова О.Н., Прокофьев М.В., Кра-хин О.И., Бибиков С.Б., Черепанов А.К. Создание радиопоглощающих материалов для повышения обнаружительной способности устройств подповерхностного зондирования. // III Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» 26-30 октября 2009 г.- М.: ИРЭ РАН, 2009.