Компоненты для обеспечения механического позиционирования антенных систем

Введение

Несмотря на то, что радиолокационные системы с применением фазированных решеток позволяют производить электронное сканирование пространства, диапазон перемещения луча остается ограниченным, как следствие конструктивного исполнения. Кроме того, на граничных углах существенно ухудшаются радиолокационные характеристики. Поэтому в соответствии с необходимым сектором обзора разработчики таких систем зачастую вынуждены применять механические системы ориентации плоскости антенны в пространстве.

В зависимости от задачи к системам позиционирования предъявляются различные требования по техническим характеристикам, но можно выделить два базовых принципа, значимых практически для любой подобной системы, — точное определение относительного положения (угла относительно определенной оси) антенны в каждый момент времени и диапазон возможного изменения этого угла.

Предлагаем рассмотреть два типа устройств, предназначенных для решения подобных задач, — датчики положения (энкодеры) и вращающиеся сочленения, позволяющие в совокупности обеспечить вращение антенны на углы до 360° включительно (непрерывный полный оборот) и точное определение текущего значения угла поворота.

Датчики положения (энкодеры)

Одним из лидеров по проектированию и изготовлению подобной продукции является компания Netzer Precision Motion Sensors Ltd (Израиль). Эта компания, основанная в 1998 году, занимается разработкой, производством и поставками эффективных электрических датчиков абсолютных угловых и линейных перемещений (рис. 1) на основе запатентованного решения Electric Encoder [1–5].

Рис. 1. Продукция компании Netzer

Запатентованное решение Electric Encoder представляет собой бесконтактную технологию измерения углового и линейного положения, основанную на периодическом изменении электрического поля при изменении положения ротора, что позволяет получить ряд преимуществ по сравнению с оптическими и магнитными датчиками. Простая и надежная конструкция, высокая точность, малые инерционные характеристики, малая высота профиля (менее 10 мм), высокая степень защиты от конденсата и загрязнений, нечувствительность к электромагнитным помехам, низкое энергопотребление, высокая степень адаптируемости датчика к требованиям заказчика — вот лишь часть преимуществ, сделавших датчики Netzer популярными по всему миру. Рассчитанные на тяжелые условия эксплуатации, датчики успешно применяются в таких областях, как:

• системы вооружения с дистанционным управлением;
• авионика, аэрокосмическая робототехника и приводные механизмы;
• панорамные установки видеонаблюдения и прицеливания;
• промышленное оборудование и медицинские приборы;
• медицинские изделия, геофизические приборы;
• возобновляемые источники электроэнергии.

Еще одним важным преимуществом вращающихся датчиков Netzer является возможность индивидуальной калибровки в составе изделия для компенсации радиальных биений и неперпендикулярности с записью калибровочных данных в энергонезависимую память датчика.

Вращающиеся датчики фирмы Netzer — это датчики угла (ДУ) высокой точности, по принципу действия относящиеся к емкостному типу, имеющие в своем составе грубый и точный каналы измерения угла. Роторная часть ДУ представляет собой диэлектрический диск зубчатой формы (рис. 2а) с двумя наборами зубьев (полюсов) для грубого и точного каналов. Статорная часть содержит две платы с неподвижными электродами ДУ. При этом на нижней плате размещено два набора радиально расположенных электродов для грубого и точного каналов, а на верхней — два кольцевых электрода. Количество радиальных электродов в четыре раза больше количества зубьев для каждого из каналов. Причем каждый из первых четырех электродов соединяется с каждым последующим четвертым электродом, образуя в результате четыре набора электродов для каждого из двух каналов. При повороте ротора изменяется комбинация открытых и перекрытых диэлектрическими зубьями неподвижных электродов и степень их перекрытия, что приводит к изменению электрического поля между электродами верхней и нижней плат. Изменения электрического поля измеряются электроникой, расположенной на верхней плате, которая формирует четыре аналоговых выходных сигнала постоянного тока (по два для каждого из каналов), пропорциональных синусу и косинусу угла поворота. По комбинации полученных значений сигналов вычисляется абсолютный угол поворота ротора.

Рис. 2. Варианты конструкций датчиков угла фирмы Netzer:
а) с диэлектрическим ротором;
б, в) с ротором, совмещенным с нижней платой:
1 — диэлектрический ротор;
2 — верхняя пластина с электроникой;
3 — нижняя пластина;
4 — ротор, совмещенный с нижней пластиной;
5 — верхняя пластина с электроникой;
6, 7 — электроды грубого и точного каналов соответственно

Второй вариант конструктивного исполнения представлен на рис. 2б,в. Здесь роль статорной части выполняет верхняя пластина, а роль роторной части — нижняя пластина с фигурными электродами в виде зубцов. Датчик имеет аналогичный принцип действия за исключением того, что изменения электрического поля при повороте ротора происходят за счет изменения площади перекрытия электродов на верхней и нижней платах.

В зависимости от угла поворота ротора выходные аналоговые сигналы меняются по синусоидальному закону. В один оборот ротора укладывается некоторое количество электрических циклов грубого M и точного N каналов, равное количеству зубьев (полюсов) ротора в точном и грубом каналах соответственно. Например, на рис. 2 изображен случай, когда M = 1, а N = 8. Очевидно, что одной паре значений выходных сигналов точного канала могут соответствовать восемь значений углов, поэтому для исключения неопределенности используется пара сигналов с грубого канала. Обычно количество электрических циклов грубого канала M варьируется от 1 до 7, а точного канала N — от 16 до 128. В случае если M больше 1, снова появляется неопределенность, которая устраняется путем выбора M и N такими, чтобы они не имели общего знаменателя. Таким образом, любому углу поворота ротора будет соответствовать уникальная комбинация сигналов грубого и точного каналов (рис. 3).

Рис. 3. Выходные сигналы грубого и точного каналов в зависимости от угла поворота ротора датчика угла

На практике грубый канал применяется только при включении ДУ для определения начального положения роторной части, далее угловое положение определяется по приращению сигналов в точном канале. При этом пользователю доступны на выбор аналоговый выход sin/cos, требующий дополнительной постобработки для определения абсолютного угла, и цифровые выходы SSI и AqB+I, предоставляющие информацию об абсолютном угле и о приращении угла соответственно.

Разрешающая способность ДУ зависит от количества электрических циклов точного канала N (а следовательно, и от количества зубьев ротора) и от разрядности L АЦП, на которые поступают аналоговые выходные сигналы датчика. С учетом того, что при изменении угла поворота за один электрический цикл синусоидальный выходной сигнал проходит диапазон АЦП 2 раза, разрешающая способность в пределах одного электрического цикла будет равна L+log₂(2) бит, а разрешающая способность на всем диапазоне углов от 0° до 360° будет равна L+log₂(2×N) бит. Например, для датчика DS‑70 с N, равным 64, и при использовании 12‑разрядного АЦП получаем разрешающую способность в 19 бит.

Взглянув на таблицу 1, можно проследить тенденцию повышения разрешающей способности с увеличением наружного диаметра датчиков. Это объясняется тем, что разрешающая способность может быть увеличена повышением либо разрядности АЦП, но она ограничена уровнем шумов самого датчика, либо количества зубьев, что приводит к увеличению наружного диаметра датчика.

Продукция фирмы Netzer представлена линейкой датчиков угла в различном исполнении, датчиками линейных перемещений и набором оборудования для отладки. Возможен вариант изготовления датчиков со степенью защиты IP65 с полной защитой от пыли.

Рис. 4. Отладочный набор Netzer

Отладочный набор Netzer (рис. 4) содержит демонстрационный поворотный столик с установленным датчиком угла линейки DS, преобразователь интерфейса и программное обеспечение (рис. 5, где отображена часть функциональных возможностей), включающее набор инструментов для тестирования и калибровки датчика.

Рис. 5. Программное обеспечение отладочного набора Netzer:
а) главное окно;
б) окно калибровки;
в) окно анализа выходных сигналов

Также следует уделить внимание опыту фирмы Netzer в разработке датчиков для различных условий эксплуатации и окружающей среды. Например, датчик угла DL‑25 (рис. 6) имеет степень защиты IP65 по умолчанию. А человекоподобный робот «Робонавт‑2» (R2), предназначенный для эксплуатации как внутри, так и снаружи Международной космической станции, включает 25 датчиков угла Netzer, которые исполнены в радиационно-стойком варианте, предназначенном для работы в открытом космосе.

Рис. 6. Датчик угла DL 25 фирмы Netzer со степенью защиты IP65

Вращающиеся сочленения

Для систем (рис. 7), использующих в своем составе фазированные решетки и предназначенных для непрерывного кругового обзора пространства, вопрос передачи информации с движущейся части на неподвижную становится одной из первоочередных задач.

Рис. 7. Примеры использования вращающихся антенных систем

Именно разработкой таких компонентов начиная с 60‑х годов прошлого века успешно занимается компания Spinner Group (Германия). На данный момент компания имеет возможность предложить потенциальным заказчикам широкий спектр подобных решений:

1. коаксиальные переходы;
2. волноводные переходы;
3. оптические переходы;
4. скользящие контакты (передача низкочастотных, цифровых и сигналов питания);
5. вращающиеся переходы для передачи охлаждающих жидкостей (эта возможность особенно актуальна для мощных АФАР, в частности корабельного базирования);
6. комплексные системы, позволяющие произвольно комбинировать все предыдущие типы переходов.

Каждый вращающийся переход, как правило, является заказным изделием, выполняющим специализированные функции и имеющим специально заданные характеристики. Поэтому ограничимся несколькими примерами уже реализованных этой компанией решений и описанием общих возможностей по разработке новых (табл. 2).

Отдельно хочется остановиться на таком решении, как оптические переходы вращения (рис. 8). Современная тенденция такова, что разработчики стараются выполнить преобразование аналоговых сигналов из эфира в цифровой код уже на вращающейся части, а передачу данной информации в централизованный блок обработки осуществлять по волоконно-оптической линии. Это позволяет получить целый ряд преимуществ перед традиционными коаксиальными либо волноводными линиями передачи:

1. Уменьшение габаритных размеров перехода вращения — например, 12‑канальный оптический переход BN 54 95 82 имеет размеры: 118,2 мм в длину и всего 60 мм наружный диаметр в ширину.
2. Для применений, где требуется передавать сигнал с антенной системы на относительно большие расстояния (корабельная техника, авиация, оборудование обзора летного поля и т. д.), использование оптоволоконных линий позволяет это осуществлять практически без отрицательных последствий, в то время как применение коаксиальных или волноводных линий приводит к существенным ограничениям из-за потерь в линии передачи. Немаловажный фактор — улучшение электромагнитной совместимости такой линии передачи в плане как эмиссии электромагнитного поля, так и помехоустойчивости.
3. Передача сигнала в цифровом виде исключает возможность его искажения в линии и существенно улучшает его помехозависимость.

Рис. 8. Многоканальное вращающееся сочленение для передачи оптических сигналов:
а) внешний вид;
б) конструкция

Инженерами компании Spinner применяется технология реализации передачи оптического потока через элемент вращения путем использования призмы Дове и редуктора (рис. 9).

Рис. 9. Прохождение луча через призму Дове

При вращении призмы Дове изображение поворачивается на угол в два раза больше, что позволяет направлять изображение в любом требуемом направлении. Таким образом, при использовании редуктора скоростей удалось добиться точного позиционирования лучей на ответной части перехода и возможности реализации вплоть до 42 каналов на один вращающийся переход (табл. 3).

Заключение

В заключение как этой статьи, так и всего цикла хочется отметить факт достаточно большого количества современных решений различной степени сложности и интеграции для реализации систем, базирующихся на принципе сканирования луча в фазированной решетке. Перед инженерами-разработчиками открывается огромное поле деятельности для создания комплексов с повышенными техническими и эксплуатационными характеристиками.