Мехатронные устройства антенн локаторов

 

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

Е.Д. Горбацевич  
 
 
МЕХАТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА  
АНТЕНН ЛОКАТОРОВ 
 
 
Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана  
в качестве учебного пособия по курсам  
«Основы мехатроники» и «Основы робототехники» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

М о с к в а  

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 7  

 

УДК 621.396.96(075.8) 
ББК 32.845.5 
Г671 
Рецензенты: Л.Д. Нечаев, А.В. Сгибнев 

 
Горбацевич Е.Д.  
  
 
     Мехатронные устройства антенн локаторов: Учеб. пособие по курсам «Основы мехатроники» и «Основы робототехники». — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. — 24 с.: 
ил. 
 
В пособии рассмотрены особенности построения антенных устройств. Дано описание метода равносигнальной зоны при определении ошибки следящей системы в режиме самонаведения. 
Для студентов 2-го курса, изучающих основы мехатроники и робототехники. 
Ил. 11. Библиогр. 3 назв. 
УДК 621.396.96(075.8) 
ББК 32.845.5 
 
 
 
 
 
Учебное издание 

Евгений Дмитриевич Горбацевич 

МЕХАТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА АНТЕНН ЛОКАТОРОВ 
 
Редактор С.А. Серебрякова 
Корректор  Л.И. Малютина 
Компьютерная верстка С.А. Серебряковой 

Подписано в печать 28.06.2007. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. 
Печ. л. 1,5. Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,12. Изд. № 106. Тираж 100 экз.  
Заказ        . 
 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5. 
 
 
 
 
 
 

 
    © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 

Г671 

ВВЕДЕНИЕ 

В настоящее время широкое распространение получили такие 
радиотехнические системы, как радиотелескопы, системы спутниковой связи, радионавигационные устройства, радиолокаторы наведения и сопровождения, радиодальномеры и др. Общим для перечисленных систем является наличие антенных устройств, с 
помощью которых осуществляются прием и излучение радиосигналов в требуемом направлении. Конструктивно антенные устройства располагаются в координаторах, которые имеют несколько 
осей подвижности. Каждая ось оснащается следящей системой, 
обеспечивающей перемещение антенного устройства на заданный 
угол с требуемой точностью. 
При проектировании следящих систем одним из основных факторов является назначение системы. Под назначением при этом 
понимают не только конкретное применение следящих систем, но 
и условия их работы. По условиям работы следящие системы 
можно подразделить на наземные, корабельные, бортовые. 
Наземные системы, в свою очередь, делят на стационарные и 
возимые. К особенностям работы следящих систем следует отнести особенности воздействия внешней среды и климата, особенности механических воздействий, ограничения по мощности источников питания, требования к массе и габаритам следящих систем, 
требования по надежности. 
В сравнительно благоприятных условиях работают наземные 
стационарные системы, которые, как правило, обладают стационарным питанием, не имеют жестких ограничений по массе и габаритам. В наиболее тяжелых климатических условиях находятся 
лишь элементы систем, расположенные на открытом воздухе. 
К наземным возимым системам предъявляют более жесткие 
требования по механическим воздействиям, массе и габаритам. В 

возимых системах источники питания имеют ограниченную мощность и широкий диапазон изменения характеристик. 
Для корабельных систем свойственна более агрессивная внешняя среда и повышенные требования к механическим воздействиям, 
характеризуемые вибрационными и ударными нагрузками. К этим 
системам могут предъявляться требования по массе и габаритам. 
Для бортовых систем требования по массе и габаритам имеют 
превалирующее значение. Столь же высоки требования и по надежности систем. Источники питания имеют ограниченную мощность и энергию. 
По виду исполнительных элементов следящие системы можно 
подразделить на электрические, гидравлические и пневматические. 
Электрические следящие системы, имеющие в настоящее время широкое распространение, подразделяются на системы постоянного и переменного тока. В качестве силовых частей следящих 
систем переменного тока используются двух- и трехфазные двигатели переменного тока с амплитудным или частотно-токовым 
управлением и питанием от транзисторных или тиристорных преобразователей. В системах постоянного тока а качестве исполнительных устройств применяются двигатели постоянного тока с 
независимым и последовательным возбуждением, которые питаются от генераторов электромашинных, магнитных, тиристорных 
или транзисторных усилителей. 
Гидравлические следящие системы по принципу управления 
делятся на два типа: системы дроссельного и объемного регулирования. В системах дроссельного регулирования изменение регулируемой координаты осуществляется посредством перекрытия проходных отверстий, например с помощью золотниковых устройств, 
а в режимах объемного регулирования — посредством изменения 
объема жидкости, проходящей через насос переменной производительности. По виду исполнительных элементов гидравлические 
системы можно разделить на системы поступательного и вращательного движений. К системам поступательного движения могут 
быть отнесены системы с гидроцилиндрами. Системы с вращательным движением подразделяют на быстроходные и тихо- 
ходные. Быстроходные исполнительные гидромеханизмы соединяются с объектом регулирования при помощи механических редукторов. Тихоходные исполнительные гидромеханизмы непо

средственно соединены с объектом регулирования и могут быть 
подразделены на машины радиально-поршневого и лопастного 
типов. 
Независимо от вида исполнительных элементов по способу 
применения следящие системы делят на системы однократного и 
многократного действия.  
Системы однократного действия, большинство из которых составляют бортовые системы, допускают использование элементов в 
форсированных режимах и элементов с ограниченным сроком 
службы. Аппаратура таких систем не поддается восстановлению. 
Системы многократного действия обеспечивают предписанный техническим заданием ресурс с помощью восстановительнопрофилактических мероприятий. Особенностью таких систем является требование ремонтопригодности. 
Вне зависимости от того, каково назначение антенного устройства и какие исполнительные элементы применяются в следящем 
приводе, системы их наведения отличаются рядом специфических 
особенностей: высокими требованиями по точности, управлением 
во многих случаях от ЦВМ, наличием большого числа внешних и 
внутренних помех, наличием в схемах регулирования существенных нелинейностей, таких как люфты в механических передачах и 
ограниченные линейные зоны управляющих сигналов, большими 
инерционными массами подвижных частей и значительными возмущающими моментами. 
Все это приводит к необходимости применения специальных 
схемных решений. 

1. ОСОБЕННОСТИ СЛЕДЯЩИХ СИСТЕМ  
АНТЕННЫХ УСТРОЙСТВ 

1.1. Режимы работы 

Режимы работы следящих систем можно разделить на две 
группы: основные и вспомогательные. Вспомогательные режимы 
предназначены для проведения ремонтно-регламентных и юстировочных работ, а также для осуществления автономного контроля 
системы перед вхождением в работу комплекса в целом. Среди 

основных режимов выделим следующие: программное наведение, 
автосопровождение и комбинированное управление. 
В режиме программного наведения осуществляется управление 
движением антенной системы от программных устройства. В качестве программных могут использоваться как аналоговые, так и 
цифровые устройства. Аналоговое управление встречается в системах наведения автономных антенных установок, работающих от 
сравнительно простых аналоговых программных устройств. В качестве датчиков в таких устройствах используются индукционные 
машины. 
Цифровое управление осуществляется от универсальных или 
специализированных ЦВМ. Режим программного управления чаще всего используется при слежении за объектами, траектории 
движения которых с высокой степенью точности известны априори, или в тех случаях, в которых формирование (экстраполирование) программы осуществляется по предварительным данным. 
Цифровое программное управление имеют, как правило, сложные 
комплексы. 
Для связи ЦВМ с аппаратурой системы наведения антенной 
установки используются буферные устройства. Они осуществляют 
сравнение цифрового кода управляющего воздействия и цифрового кода, формируемого цифровым датчиком обратного контроля, а 
также преобразование кода разности из цифровой формы в аналоговую. Цифровые датчики обратного контроля по физическим основам своего действия могут быть оптико-механическими, индукционными, емкостными. Наибольшее распространение получили 
датчики первых двух типов. Цифровые датчики могут иметь потенциальный и импульсный выходы. Потенциальный выход имеют оптико-механические датчики некоторых типов, индукционные 
датчики имеют импульсные выходы. Основными характеристиками цифровых датчиков являются их разрядность и частота объема 
информации. 
Преобразователи цифровой информации в напряжение (ПЦН) 
характеризуются числом разрядов, ценой единицы младшего разряда и частотой смены информации. В существующих ПЦН число 
разрядов в большинстве случаев не превышает семи (в редких случаях восьми). Как правило, единица младшего разряда ПЦН соответствует единице младшего разряда цифрового датчика. Разряд

ность ПЦН определяет размер линейной зоны устройства. Так, при 
16-разрядном цифровом датчике (младший разряд составляет 20″) 
линейная зона для 7-разрядного ПЦН равна 20″⋅(27 – 1) ≈ 42′. В тех 
случаях, когда линейная зона ПЦН оказывается недостаточной для 
обеспечения требуемых характеристик переходного процесса, загрубляют ПЦН, увеличивая цену единицы его младшего разряда. 
Частота смены информации ПЦН определяется, как правило, частотой съема информации с цифрового датчика обратного контроля. 
В режиме программного наведения управляющий сигнал имеет 
детерминированный характер. В этом случае точность наведения 
оценивают по максимальному значению установившейся ошибки. 
В режиме автосопровождения управление осуществляется по 
сигналу приемных устройств, формирующих сигнал ошибки, пропорциональный углу рассогласования между истинным направлением на объект наблюдения и направлением оси антенны. В этом 
режиме чаще всего применяется параболическая антенна. Она состоит из облучателя и отражателя (рефлектора) специальной формы. Внутреннюю поверхность отражателя называют зеркалом антенны, так как она играет ту же роль, что и зеркало обычного 
прожектора, но не для световых лучей, а для радиоволн. Облучатель 
может быть выполнен в виде вибратора или рупора. При передаче 
облучатель излучает на рефлектор электромагнитные колебания, а 
при приеме улавливает отраженные от рефлектора радиосигналы. 
Облучатель помещается в фокальной плоскости параболического 
отражателя. На рис. 1.1 показан главный лепесток диаграммы направленности, т. е. график изменения излучаемой (или принимаемой) электромагнитной энергии в пространстве. 
 

 

Рис. 1 

Наведение антенны выполняют так, чтобы принимаемый сигнал был максимальным по мощности, что приведет к направлению 
ее оси на объект наблюдения. Чтобы определить пространственное 
направление антенны на отражающий объект, объемную диаграмму направленности представляют в виде двух диаграмм, характеризующих направленные свойства антенны в горизонтальной и 
вертикальной плоскостях (по азимуту и углу места). Крутизна характеристики направленности вблизи максимума мощности обычно оказывается недостаточной для обеспечения высокой точности 
наведения. При наведении по методу максимума сигнала средняя 
ошибка в определении направления на цель 

 
а
ц
,
4...6
θ
δ =
 

где 
аθ  — ширина диаграммы направленности антенны. 
Под шириной диаграммы направленности обычно понимают 
угол, образованный лучами, имеющими половинную мощность 
излучения (приема) электромагнитной энергии (0,5Pmax). Ширину 
диаграммы направленности можно определить в угловых градусах 
по формуле 

 
а 65
,
d
λ
θ =
 

где d — диаметр зеркала, м; λ — длина волны, м. 
Из приведенных выражений видно, что точность наведения 
может быть повышена путем построения остронаправленных антенн, а это связано с увеличением диаметра антенн. 
Для повышения чувствительности, когда определяют направление на объект наблюдения, применяют метод равносигнальной 
зоны. В простейшем случае равносигнальная зона образуется смещением на угол θ0 максимума характеристики направленности антенны по отношению к оси ОО' антенны (рис. 1.2). Организуется 
скачкообразное переключение направленности антенны то в правое, то в левое (показано пунктиром) положение относительно оси 
антенны. 
Если цель находится в точке А, то сигнал, принятый в правом 
положении характеристики, пропорционален вектору Оa, а в ле

вом — вектору Оb. Разность сигналов, принятых в правом и левом 
положениях диаграммы направленности, определит знак и величину отклонения между направлением на цель и направлением оси 
антенны. Если ось антенны совпадает с направлением на цель, то 
сигналы, принятые в правом и левом положениях диаграммы направленности, окажутся равными. Поэтому линию ОО' называют 
равносигнальным направлением (или биссектрисой равносигнальной зоны). 

 

Рис. 1.2 
 
Равносигнальная зона может быть образована не только при 
скачкообразном переключении диаграммы направленности, но и 
при ее равномерном коническом развертывании (сканировании). 
При этом линия, проходящая через максимум диаграммы направленности, описывает коническую поверхность. Частота, с которой 
вращается диаграмма направленности, называется частотой  
сканирования. На рис. 1.3 и 1.4 показаны схемы формирования 
сигналов ошибки по азимуту и по углу места при скачкообразном 
и коническом сканировании. Для обеспечения скачкообразного 

сканирования вырабатывается специальное управляющее воздействие, обеспечивающее постоянство частоты переключения. В 
системах с коническим сканированием вибратор антенны вращается с постоянной частотой. Вибратор жестко связан с генератором опорных напряжений, который вырабатывает информацию о 
положении вибратора в любой момент времени и тем самым позволяет разделить ошибку на горизонтальную и вертикальную составляющие. 
 

 

Рис. 1.3 
 
 

 

Рис. 1.4 
 
Чтобы сделать системы наведения нечувствительными к амплитудным флуктуациям отраженного сигнала, применяют двухканальные двухлучевые схемы. Для обеспечения режима автосопровождения можно использовать как непрерывное излучение 
передатчика, так и импульсное.