6. ПРИЕМНЫЕ VLF/LF АНТЕННЫ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК

: особенности VLF/LF радиоприема под водой : : магнитные приемные VLF/LF антенны : : кабельные приемные VLF/LF антенны : : источники информации и иллюстраций :

 

Как было показано в главе 2, для приема в подводном положении в диапазоне VLF/LF доступны только горизонтальные компоненты электромагнитной волны. Соответственно, в качестве приемных VLF/LF антенн под водой могут использоваться как магнитные антенны, чувствительные к горизонтальной магнитной компоненте электромагнитного поля, так и электрические антенны, чувствительны так же к горизонтальной компоненте поля, но уже к электрической.

Другой особенностью приема под водой в диапазонея VLF является то, что радиоволны в этом диапазоне в соленой морской воде проникают с приемлемым ослаблением только до глубин порядка 20-25 метров, в связи с чем при погружении подводного аппарата на бОльшую глубину требуется подъем антенны в верхние слои воды с помощью специальных выпускных буксируемых устройств.

Рис.6.1. Особенности радиоприема в диапазое VLF/LF под водой

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Магнитные антенны работают на принципе электромагнитной индукции, в соответстви с которым переменное магнитное поле наводит в витке из токопроводящего материала ЭДС, пропорциональную скорости изменения проходящего через него магнитного потока. Они включают два больших класса - рамочные и ферритовые. Типовая рамочная магнитная антенна имеет вид круглой или многоугольной рамки (от нескольких десятков сантиметров до одного-двух метров в поперечнике), образованной одним или несколькими витками проводника, длина которого существенно меньше четверти длины волны принимаемого сигнала. Ферритовая антенна представляет собой многовитковую катушку, снабженную ферритовым сердечником с высокой магнитной проницаемостью. Наличие ферритового сердечника во много раз повышает индукцию магнитного поля внутри катушки и таким образом позволяет значительно уменьшить размер ее витков и, соответственно, размер самой антенны по сравнению с рамочной.

Рис.6.2. Примеры приемных магнитных антенн

a) - схема рамочной антенны; b) - радиоприемник начала XX века с рамочной антенной; c) - схема ферритовой антенны; d) - ферритовая антенна транзистороного радиоприемника; e) - диаграмма направленности магнитной антенны.

 

Если к выводам магнитной антенны подсоединить конденсатор, то он совместно с индуктивностью антенны образует колебательный контур и величина выходного сигнала антенны на частоте резонанса данного контура существенно возрастет. Такая антенна называется резонансной. При отсутствии конденсатора выходной сигнал антенны растет пропорционально росту частоты принимаемого сигнала, но резонансы отсутствуют. Такая антенна называется апериодической.

Действующая высота апериодической магнитной антенны пропорциональна числу ее витков, их площади и магнитной проницаемости сердечника и обратно пропорциональна длине принимаемой волны. Для типовых конструкций действующая высота измеряется единицами и даже долями миллиметра, поэтому при приеме слабых сигналов решаюшее значение приобретают собственные шумы антенны и усилительного тракта. Действующая высота резонансной антенны на резонансной частоте возрастает пропорционально ее добротности, которая в практических конструкциях может достигать 50 и более. Поэтому в бытовой приемной аппаратуре используются, преимущественно, резонансные магнитные антенны, перестраиваемые синхронно с перестройкой приемного тракта. Более подробно о параметрах магнитных антенн и схемах их применения см. в отдельном обзоре.

Диаграмма направленности одиночной магнитной антенны имеет вид двух окружностей, образующих восьмерку, ось которой совпадает с направлением плоскости витков антенны. Такая диаграмма позволяет использовать магнитную антенну в качестве пеленгатора и радиокомпаса. Для получения всенаправленной диаграммы направленности используют суммирование сигналов двух взаимно перпендикулярных ферритовых антенн.

МАГНИТНЫЕ АНТЕННЫ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК

На подводных лодках сначала применялись рамочные антенны. Однако, со временем стали применяться преимущественно ферритовые антенны, что связано с их существенно меньшими размерами по сравнению с рамочными. До появления кабельных буксируемых антенн на подводных лодках применялись как минимум две магнитные антенны - одна устанавливалась в буксируемом устройстве, поднимающемся к поверхности для приема при глубинах погружения более 20-25 метров, другая крепилась на корпусе подводной лодки и использовалась на глубинах менее 20-25 метров без выпуска буксируемой антенны.

Буксируемые магнитные антенны были со временем вытеснены более совершенными вовсех отношениях буксируемыми кабельными антеннами и в настоящее время магнитные антенны устанавливаются, в основном, только на корпусе подводной лодки, а также в некоторых случаях как резервные.

Рис.6.3. Размещение магнитных антенн на подводной лодке

1 - радиоприемный VLF/LF комплекс 1960-х годов на базе приемника AN/BRR3 (США), в т.ч. 11 - буксируемая магнитная антенна AN/BRA-700N, 12 - стационарная магнитная антенна AT-317/BRR, 13 - выдвижная штыревая антенна; 2 - комплекс магнитной антенны 2000-х годов компании Lockheed Martin (США), в т.ч. 21 - антенный блок, устанавливаемая на крыше рубки в позиции по стрелке, 22 - блок усиления и суммирования, устанавливаемый на борту подводной лодки.

 

Типовая магнитная антенна подводной лодки содержит две взаимно перпендикулярные одиночные апериодические ферритовые антенны, при этом диаграмма приема одной из них ориентируется в направлении нос-корма (F/A) судна или буксируемого устройства, а другая, соответственно, в поперечном направлении (ATH). Сигналы с обмоток одиночных антенн усиливаются расположенными в антенном блоке малошумящими предусилителями, выходные сигналы которых по кабелю поступают на входы бортового блока усиления и суммирования (автономного или в составе радиоприемника). Последний формирует на выходе усиленные сигналы А/F и ATH, а также сигнал суммы абсолютных величин данных сигналов, которые далее поступают на входной коммутатор радиоприемника, позволяющий выбрать один из трех сигналов и, соответственно, одну из трех диаграмм антенны - всенаправленную, двунаправленную F/A или двунаправленную ATH.

Рис.6.4. Схема типовой магнитной антенны подводной лодки

 

Анализ патентов и технической информации по промышленным образцам показывает, что резонансные магнитные антенны для подводных лодок не получили распространения. Это, очевидно, связано с необходимостью работы антенны в широкой полосе частот (обычно 10-60 кГц), со сложностью синхронизации настройки антенны и приемника на заданную частоту, а также с целым рядом других проблем, возникающих при размещение элементов настройки в буксируемом антенном блоке. При этом для увеличения действующей высоты антенны и соотношения сигнал-шум при одновременном обеспечении широкополосности используются иные, чем настройка в резонанс, технические решения (подробнее см. в отдельном обзоре).

Расположение и конструкция одиночных антенн в составе антенного блока могут быть различными. Они могут быть расположены рядом, друг над другом или образовывать крестообразную или квадратную конструкцию с делением каждой антенны на две части. Сердечники могут быть монолитными или составными, иметь различную геометрию и заполнять внутренний объем катушек полностью или частично, например, располагаться по внутреннему периметру катушек. Для защиты от электрических помех катушки могут помещаться в специальные электростатические экраны с разрезом.

Рис.6.5. Варианты конфигураций магнитных антенн подводных лодок

1. Магнитная атенна ALK Oberon (Великобритания): 1 - катушка F/A, 2 - катушка ATH, 3 - ферритовые сердечники; 2 - магнитная антенна ф.Continental Electronics Corp. по патенту US-3495264 (США) на монолитном сердечнике; 3 - магнитная антенна ф. Telefunken по патенту DE-1067087 (Германия): 1,2 - детали корпуса буксируемого устройства, 3 - антенна ATH, 4 - составные элементы антенны F/A.

 

БУКСИРУЕМЫЕ УСТРОЙСТВА

Буксируемое устройство должно иметь плавучесть, за счет которой оно всплывает в верхние слои, а также форму, создающую гидродинамическую силу, направленную вниз при его движении. Глубина его погружения регулируется длиной буксирующего троса и скоростью подводной лодки. Глубина погружения при этом может контролироваться по сигналу устанавливаемого в устройстве датчика гидростатического давления.

Кроме магнитной антенны в буксируемом устройстве также часто размещают выдвижные антенны высокочастотных диапазонов, в т.ч. и для спутниковой связи, обеспечивающие высокоскоростной двухсторонний обмен данными в выпущенном положении при движениии буксируемого устройства по поверхности.

Основной проблемой магнитных буксируемых антенн является высокий уровень вибраций корпуса при движении, которые передаются на катушки антенны и создают тем самым низкочастотные шумы в приемном трате и интермодуляционные искажения принимаемых сигналов. Кроме того, они ограничивают маневренность подводной лодки как по глубине, так и по скорости.

Рис.6.6. Примеры буксируемых устройств с магнитными антеннами

 

Буксировочный трос-кабель должен обладать высокой прочностью и герметичностью, а также требуемой гибкостью и диаметром для наматывания его на барабан лебедки выпускного устройства. Основным требованием, предъявляемым к выпускному устройству, является минимальный уровень акустических шума, создаваемого его лебедкой, который является демаскирующим фактором для подводной лодки. По этой причине в конструкции лебедок не применяются зубчатые передачи. Детальное рассмотрение этих элементов магнитных буксируемых антенн не входит в задачи настоящей главы.

 

 

 

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Кабельная электрическая приемная VLF/LF антенна является антенной, принимающей горизонтальную электрическую компоненту электромагнитной волны. Она представляет собой плавучий однопроводный кабель длиной несколько десятков метров, подключенный к сигнальному проводнику плавучего кабеля-фидера. Нулевой проводник кабеля-фидера (или оплетка в случае коаксиального кабеля) заводняется вблизи точки его подключения к антенне. На стыке антенны и кабеля-фидера может быть установлен встроенный в оболочку антенный предусилитель. Однако, с учетом того, что действующая высота короткой приемной антенны обычно принимается равной половине ее физической длины и для кабельной VLF/LF антенны может достигать полутора десятков метров, встроенный предусилитель, в отличие от магнитной антенны, может и не использоваться.

Рис.6.7. Кабельная электрическая приемная VLF/LF антенна

 

ДИАГРАММА ПРИЕМА

Поскольку вектора электрического поля вертикально поляризованной электромагнитной волны до и после преломления на границе раздела воздух-вода лежат в одной плоскости с излучателем волны (см. рис. 2.6), а эдс, наводимая в линейном проводнике переменным электрическим полем максимальна, если его вектор коллинеарен проводнику, то максимум принимаемого в подводном положении рассматриваемой антенной сигнала надводного источника будет при совпадении направления проводника антенны с направлением на источник сигнал, а минимум - в поперечном направлении и диаграмма направленности антенны будет иметь вид «восьмерки», характерной для электрического диполя в воздухе, но повернутой на 90 градусов. Такая диаграмма является существенным недостатком, т.к. значительно ограничивает маневренность подводной лодки при радиоприеме.

Для получения всенаправленной диаграммы Лабораторией Электроники ВМФ США в конце 90-х годов была разработана всенаправленная кабельная антенна, включающая как электрическую, так и магнитную антенны, расположенные друг за другом. Данное решение было защищено патентом US-5933117, согласно которому магнитная антенна имеет гибкий сердечник, набираемый из ферритовых колец, сопрягаемых друг с другом по сферическим выпуклым и вогнутым поверхностям, и намотанную на этот сердечник двуспиральную обмотку (см. рис.6.8). Для каждой антенны предусмотрен предусилитель, а передача сигналоа осуществляется по отдельных двухпроводным бифиллярным фидерам, при этом фидер электрической антенны проходит внутри сердечника магнитной антенны.

Рис.6.8. Кабельная магнито-электрическая всенаправленная приемная VLF/LF антенна по патенту US-5933117

24 - ферритовый сердечник из ферритовых колец; 34 - поджимная пружина; 22 - обмотка ферритовой антенны; 24 - предусилитель магнитной антенны; 60 - фидер магнитной антенны; 18 - электрическая антенна; 20 - предусилитель электрической антенны; 27 - фидер электрической антенны. Внимание! направление передачи сигнала на верхней схеме справа налево (50 - к электрической антенне, 52 - к подводной лодке), на нижней - слева направо (outboard - от подводной лодки).

 

Реализованная таким образом магнитная антенна имеет максимум приема в поперечном направлении относительно кабеля и вместе с электрической антенной при суммировании абсолютных значений амплитуд их сигналов на входе бортового приемного тракта дает суммарную диаграмму направленности приема кабельной антенны, близкую к круговой, аналогичную диаграмме рассмотренной выше двухэлементной магнитной антенны.

Однако, несмотря на устранение данным решением основного недостатка кабельной приемной VLF/LF антенны сведений о его практическом использовании нет. Это может быть связано как с наличием проблем с его реализацией, эксплуатацией, совместимостью и пр. Патентов, развивающих или видоизменяющих данное, не обнаружено.

Другим решением является использование гибкого кабеля, способного принимать после размотки заранее приданную ему форму. Такая форма может включать перпендикулярный участок для размещения в нем электрической антенны поперечного направления. Это также разработано упомянутой выше лабораторией и защищено патентом US-7466278, но на 10 лет позже. Однако по нему тоже нет сведений о практическом использовании.

Рис.6.9. Кабельная антенна с сохранением формы по патенту US-7466278

Слева - внутреннее устройство кабеля, сохраняющего форму, справа - вставка в кабельную антенну типа «серпантин» из такого кабеля, в т.ч.: 11' - полиуретановая плавучая оболочка, 11 - гибкая трубка, 36 - формообразующие упругие блоки, стянутые с торцов кевларовыми нитями, 60 и 61 - торцевые переходники. Внимание! На рисунке не показана наружная оболочка кабеля (см. ниже)

 

КОНСТРУКЦИЯ

Для обеспечения требуемой плавучести, герметичности, гибкости, гидродинамического сопротивления и пр. кабельная антенна снабжается многослойной оболочкой. Ее основу составляет синтетический материал (обычно двухкомпонентный полиуретан), содержащий до 15-20% по весу пластиковые или стеклянные полые мирокапсулы диаметром 20-100 микрон, обеспечивающие достижение требуемого удельного веса порядка 0.51 - 0.65 г/см3. Внутри полиуретановой оболочки проходит упругая трубка, служащая каналом для коммуникаций кабельной антенны. Кроме того, в эту оболочку инкапсулируются различные устройства обвязки - предусилители, фильтры, коммутаторы, элементы соединителей и пр. Типовой внешний диаметр полиуретановой оболочки - от половины до трех четвертей дюйма.

Для дополнительного повышения прочности и износостойкости на полиуретановую оболочку методом термоусадки надевается еще одна, выполненная из высокопрочного гладкого синтетического материала, обладающего свойством термоусадки, например, из термопластов класса олефинов или фторопластов. Для лучшего сцепления этой оболочки с полиуретановой последняя предварительно обматывается лентой из синтетического материала, обладающего свойством адгезии при нагреве.

Кабель с такой структурой тоже разработан упомянутой Лабораторией Электроники ВМФ США, защищен патентом US-6982383 и используется в приемных антеннах последнего поколения атомных подводных лодок США.

Рис.6.10. Структура кабеля кабельной VLF/LF антенны по патенту US-6982383

20 - упругая трубка, 22 - проводники коммуникаций, 24 - оболочка из полиуретана, 16 - адгезивная обмотка, 14 - наружная оболочка.

 

Для приема VLF/LF сигнала кабельная антенна должна находиться в приповерхностном слое, но при этом ниже уровня воды, т.е. там, где уже присутствует горизонтальная электрическая компонента электромагнитной волны. Это требует определенного сочетания скорости подводной лодки и длины выпущенного кабеля-фидера, а также определнного распределения плавучести по длине антенны, для чего в полиуретановой оболочке могут предусматриваться элементы подгрузки.

Для создания вытягивающй гидродинамической силы при выпуске кабельной антенны на ее конце может устанавливаться небольшой буй. Возможными решениями являются также создание гидродинамической силы в выпускном устройстве или наличие несматываемого отрезка кабеля, способного своим гидродинамическим сопротивлением создавать нужное усилие. К лебедкам кабельных антенн предъявляется те же требования, что и к лебедкам буксируемых магнитных антенн, в первую очередь по бесшумности.

Рис.6.11. Лебедка и кабель VLF/LF/HF антенны компании Gabler Maschinenbau GmbH

(источник иллюстрации [1])

МНОГОДИАПАЗОННОСТЬ

Классическая кабельная VLF/LF антенна может снабжаться дополнительными модулями усилителей и фильтров для приема на нее сигналов высокочастотных диапазонов, как, например, это предусмотрено в антенне по патенту US-4774519.

Рис.6.12. Приемная кабельная VLF/LF антенна по патенту US-4774519 с функцией приема сигналов ВЧ диапазонов

 

В данном варианте используется коаксиальный кабель, т.е. в конструкции рис.6.10 присутствует еще один компонент - металлическая оплетка на полиуретановой оболочке. Из спектра сигнала, наводимого в 100-футовом проводе антенны, фильтрами нижних и верхних частот выделяются соответственно низкочастотный VLF/LF и высокочастотный сигналы, последний при этом усиливается предусилителями. Оба сигнала передаются на борт подводной лодки по общему кабелю, где разделяются сплиттером. Электропитание активных устройств антенны осуществляется по тому же коаксиальному кабелю.

В отличие от диапазона VLF/LF для приема ВЧ сигнала такая антенна должна находиться на поверхности, что требует другого, чем для VLF/LF, сочетания скорости хода и длины кабеля, а принимаемый сигнал должен иметь над водой горизонтальную поляризацию. Подробнее о кабельных антеннах высокочастотных диапазонов см. в соответствующей части обзора.

Совмещение в одной кабельной антенне различных диапазонов, в т.ч. с возможностью двустороннего обмена, является генеральным направлением совершенствования антенной техники подводных лодок. Типовым решением при этом является добавление к приемной VLF/LF антенне группы приемо-передающих антенн VHF/UHF/SHF диапазонов, в т.ч. как для спутниковой связи, так и для связи с надводными объектами в пределах прямой видимости, а также приемных антенн навигационных систем. Такие антенны выполняются в виде кабельных отрезков и присоединяются цепочкой за VLF/LF антенной. Принимать и передавать радиосигналы они могут только с поверхности, но при этом с существенно меньшей вероятность визуального обнаружени, чем буксируемые антенны в виде буев.

Рис.6.13. Функционал перспективной кабельной антенны подводной лодки

(источник иллюстрации [2])

 

Примером частичной реализации такого функционала может служить VLF/LF/HF антенна мирового лидера по разработке и производству антенн для подводных лодок немецкой компании Gabler Maschinenbau Gmbh, кабель и кабельная лебедка которой были приведены выше на рис. 6.11. Антенна включает две кабельных антенны - диапазона VLF 7-30 кГц и диапазонов LF/HF 30 кГц - 300 мГц и может принимать сигналы спутниковых системы связи Iridium со скоростью передачи данны до 88 кбит/с, также навигационных систем GPS, Galileo, GLONASS и Beidou. Обе антенны имеют длину по 30 м и диаметр 20 мм. Кабель имеет диаметр 8 мм и длину до 600 м, при этом в качестве среды передачи данных используется оптоволокно. Лебедка обеспечивает скорость выпуска/сматывания кабеля до 8 м/с и тянущее усилие до 8 кН. Антенна снабжена системой автоматического контроля глубины погружения антенных секций, а также рядом других служебных функций.

 

1. Digital Buoyant Cable Antenna Syste. Gabler Maschinenbau (реклмный проспект).

2. G.R.Thompson. Buoyant Cable Antenna Technology for Enhanced Submarine Communication at Speed And Depth .

3. В.В.Чигирь. Антенны подводных лодок. Принципы построения, история создания. В книге «Роль Российской науки в создании отечественного подводного флота. 2008.»

4. Oberon Class Submarine - Electronics Fit

5. VLF/LF Loop Antenna System Submarine Communications. Lockheed Martin Corp, Sea-Air Systems, 2006 (рекламный проспект).

6. Патенты US-3495264, US-4774519, US-5933117, US-6982383, US-7466278, DE-1067087.

* * * * * * * * *

 

 

Опубликовано 16.12.2021 Последнее изменение - нет

© Janto 2021 Все права защищены