XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Действующая модель для изучения принципов работы радиолокационных установок
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
Цель работы – изучив принципы распространения электромагнитных волн и принципы работы радиолокаторов, изготовить учебную модель радара для школьников.
Задачи работы – собрать и изучить материал по выбранной теме, провести эксперименты, используя школьное оборудование, и зафиксировать результаты, разработать схему авторской радарной установки, изготовить учебную действующую модель радиолокатора, связать тему с СВО, так как вопросы радиолокации приобрели повышенный уровень актуальности. Радиолокационная разведка необходима для обнаружения самолётов, беспилотников, ракет и т. д. В настоящее время работы в этой области идут непрерывно, как в КБ, так и в полевых условиях СВО. При этом материалы не подлежат разглашению, так как они используются в боевых действиях. Изделия противника изучаются путём реинжиниринга: производится изучение готового образца, его конструкционных особенностей, используемых возможностей, применяемых материалов и т. д.
Гипотеза – возможность создания авторской учебной модели радара.
Объект исследования – конструкция радиолокатора.
Предмет исследования – передатчик и приёмник электромагнитных волн локатора.
Практическая значимость работы состоит в том, что существует необходимость демонстрации принципов работы радиолокаторов в процессе обучения или в школе, или в творческих объединениях системы дополнительного образования.
Методы работы – изучение литературы, проведение экспериментов с электромагнитными волнами, изучение простейших схем моделей радиолокаторов, изготовление собственной модели, её программирование, тестирование и внесение необходимых корректировок. В процессе работы были использованы учебники по физике, литература по прикладной физике и справочные материалы из интернета.
Назначение разработки: 1) наглядное пособие; 2) привлечение к конструкторской деятельности.
Новизна работы: разработана и изготовлена действующая модель радиолокатора, предназначенная для использования в учебном процессе в школе или в творческих объединениях системы дополнительного образования. Для модели написана специальная компьютерная программа на базе BASCOM-AVR – среды разработки программ для микроконтроллеров семейства Atmel AVR с использованием языка Basic.
Передатчик устроен на СВЧ генераторе на диоде Ганна с рупорной антенной и выдает несущую частоту 12 ГГц. Приемник СВЧ с рупорной антенной принимает входной отраженный от препятствия сигнал, используя СВЧ диод, который обеспечивает сразу и детектирование. Далее сигнал с диода усиливается операционным усилителем, выход которого подключается напрямую к входу АЦП (аналого-цифрового преобразователя) микроконтроллера. Параллельно к выходу усилителя подключен динамик для слухового контроля приема сигнала.
2. Теоретическая часть.
2.1. Волны
Волны представляют собой колебания, которые распространяются в пространстве с течением времени.
Электромагнитные волны (иначе электромагнитное излучение) — это распространение переменных электрических и магнитных полей в пространстве с течением времени.
Шкала электромагнитных волн: радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма- излучение [1]. Эти волны отличаются по частоте ν и длине волны λ. Их скорость в вакууме 300 000 км/с.
Главное условие возникновения излучения электромагнитных волн – это движение электрического заряда с ускорением.
Если заряд колеблется, то его электрическое поле будет периодически изменяться с той же частотой. Распространение волны происходит следующим образом: переменное электрическое поле порождает периодически изменяющееся магнитное поле, которое порождает следующее переменное электрическое поле и т.д.
2.2. Свойства волн
Отражение— возвращение волн достигших границы раздела двух сред (полное или только частичное).
Преломление (иначе называется рефракция) — изменение направления распространения волн, происходящее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред. Также может быть вариант, когда распространение происходит в толще среды, внутри которой характеризующие её параметры изменяются. Например, плотность воздуха меняется, если он прогревается от горячего асфальта. Ход лучей искривляется, и мы видим мираж: нам кажется, что вдали на асфальте разлита вода, тогда как это – изображение неба.
Интерференция волн – взаимное усиление или ослабление амплитуды когерентных волн. Когерентные волны – частота колебаний одинакова и разность фаз не изменяется.
Дифракция – огибание волнами препятствий. Размер препятствия и длина волны должны быть сопоставимы. Если длина волны мала, то она не сможет обогнуть препятствие.
Поляризация – явление, при котором из всех возможных направлений колебаний в поперечной волне (то есть в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны) выделяется приоритетное. Для электромагнитной волны это – векторы напряжённости электрического поля и вектора магнитной индукции [1].
2.3. Принцип действия радаров
Как известно принцип действия радаров – эхолокация. То есть, первоначально необходимо создать импульс, который уходит в заданном направлении, а затем принять отражённый сигнал. Если он, конечно, вернётся. Это способ, используя который определяют положение объекта, в зависимости от времени задержки возвращенной волны. При этом расчёт расстояния R до объёкта производится по формуле:
(1),
где υ – скорость распространения сигнала, а t – время, через которое сигнал вернулся.
В зависимости от применяемых волн выделяют звуколокацию (ультразвуковую), радиолокацию и оптическую локацию (электромагнитные волны).
Для электромагнитных волн, формула (1) выглядит иначе:
,
так как скорость этих волн принято обозначать буквой «с». Для расчётов в воздухе мы берём значение скорости света в вакууме: с = 3∙108 м/с.
В формулах в знаменателе стоит «2», так как время t затрачено на прохождение сигнала до препятствия и обратно, а нам требуется узнать только расстояние до препятствия [1, 2].
На данном принципе работают радиолокаторы. Они используют радиоволны, например, для слежения за самолётами. Существуют и «живые радары» – летучие мыши. Они прекрасно «видят» с помощью ультразвука. С помощью ультразвука работают эхолоты кораблей, измеряя расстояния в воде (глубину моря, расстояние до объекта: субмарина, косяк рыб), парктроники автомобилей. Если дополнительно учитывать эффект Доплера то, можно определять скорость движущегося объекта.
Радар должен состоять из передатчика и приёмника. При этом учитывают, как распространяются радиоволны, имеющие различные длины волн.
λ > 100 м. Это – длинные волны, которые скользят вдоль поверхности планеты и огибают препятствия, сопоставимые с их длиной волны.
λ = 10 -100 м. Это – короткие волны. Они претерпевают многократные отражения от ионосферы и от земли.
λ < 10 м. Ультракороткие волны (УКВ) проходят через ионосферу и с их помощью можно осуществлять связь с космическими аппаратами, находящимися на орбите.
Для радиолокации применяют СВЧ колебания (сверхвысокой частоты: 108 — 1011 Гц). Генератор подаёт сигнал на антенну, излучающую остронаправленную волну. Если λ≈ 10 см или меньше, то антенны выглядят как параболические зеркала. Для волн метрового диапазона антенны имеют вид систем вибраторов, которые дают острую направленность излучения как результат сложения волн таким образом, что усиление происходит лишь в заданном направлении. В остальных направлениях имеет место взаимное гашение.
Отраженная волна улавливается либо той же излучающей антенной, либо другой – приемной, и тоже остронаправленной. Направление на объект определяется как направление луча радара в момент приема отраженного сигнала.
Таким образом, работа радаров происходит в импульсном режиме. Вначале должен быть испущен достаточно мощный импульс. Длительность каждого импульса – миллионные доли секунды. Импульсы необходимы мощные, так как иначе они быстро рассеивались бы в пространстве, так и не успев дойти до какого-нибудь препятствия. После каждого импульса наступает пауза (отключается передатчик). То есть выдерживается время, в течение которого ожидается ответ. Время паузы между импульсами приблизительно в 1 000 раз больше, чем сам импульс. Глубина разведки связана именно с этими параметрами: мощностью импульсов и паузами между ними. Если отражённый импульс придёт позднее, то его заглушал бы новый импульс передатчика. Тем более, что отражённые сигналы приходят достаточно слабыми, ведь им приходится преодолевать какие-то расстояния, испытывая рассеяние в среде. Поэтому приёмнику приходится усиливать сигнал в 1012 раз.
Длительность пауз выбирается в соответствии с формулой:
Т > .
Таким образом, импульсная работа локатора позволяет развести во времени мощный сигнал передатчика (генерирование колебаний в виде кратковременных импульсов) и слабый отражённый сигнал, принимаемый приёмным устройством [2].
Существует основное уравнение радиолокации, которое описывает дальность действия локатора, учитывая мощности сигналов и наличие различных потерь [3]:
Условные обозначения в данной формуле:
P — мощность сигнала на клеммах приёмной антенны;
Pt — мощность радиопередатчика;
Gt — коэффициент усиления передающей антенны;
Sa — эффективная площадь приёмной антенны, учитывающая коэффициент усиления антенны и длину волны, на которой работает радар.
σ — эффективная площадь рассеяния цели в данном ракурсе;
F — коэффициент потерь при распространении сигнала;
R — расстояние от передающей антенны до цели. Принимаемая мощность отражённого сигнала обратно пропорциональна R4.
3. Проведение экспериментов «Свойства электромагнитных волн»
Для проведения экспериментов было использовано школьное оборудование – комплект приборов для изучения свойств электромагнитных волн.
В набор входят: генератор СВЧ, передатчик и приёмник с рупорными антеннами, волноводы которых настроены на частоту 12 ГГц. Подстройка на нужную частоту производится специальной заглушкой в конце волновода, длина которого соответствует условию возникновения стоячих волн. Это аналогично, как играя на тромбоне музыкант вдвигает и выдвигает кулису, изменяя длину звуковой волны. Рупорная антенна с волноводом прямоугольного сечения – рис. 1.1.
Эксперименты, демонстрирующие свойства электромагнитных волн – рис. 1. 2-11. Это – отражение от металла, ослабление диэлектриком, интерференция, преломление и поляризация (установка даёт горизонтальную поляризацию).
4. Изготовление модели радиолокатора
4.1. Необходимые теоретические сведения
Диод – прибор обладающий односторонней проводимостью, так в нём есть р–n- переход – контакт двух полупроводников р- и n-типа.
Светодиод – диод, который при рекомбинации электронов и дырок энергия выделяется в виде светового излучения. Излучаемая длина волны зависит от материалов, из которых выполнено изделие.
Диод Ганна – в своей структуре не имеет р–n- перехода. Его работа основана на эффекте Ганна, открытом в 1963 году. В данном случае используются не эффекты, возникающие в р–n- переходе, то есть в местах соединения двух различных полупроводников, а собственные нелинейные свойства данного полупроводника.
Эффект Ганна – генерация электрических колебаний СВЧ, возникающих в случае, если напряжение, прикладываемое к полупроводниковому прибору, превышает его критическое пороговое значение. Диод Ганна используют для генерации и преобразования колебаний СВЧ (частоты от 0,1 до 100 ГГц) в устойчивом электрическом поле, величиной больше порогового значения [4].
Амплитудная модуляция – изменение амплитуды колебаний создаваемых генератором в соответствии с поступающим сигналом.
Детектирование (обратный процесс) – выделение из высокочастотного модулированного сигнала модулирующего сигнала низкой частоты.
АЦП – аналого-цифровой преобразователь. Устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал (непрерывный поток информации) в цифровой сигнал (дискретный поток) – цифры на экране.
Микроконтроллер – микросхема для управления электронными устройствами.
4.2. Действующая модель радиолокатора
СВЧ генератор на диоде Ганна с рупорной антенной выдает несущую частоту 12 ГГц с амплитудной модуляцией 2000 Гц. Питание СВЧ генератора 12 В от трех соединенных последовательно литиевых аккумуляторов.
Приемник СВЧ с рупорной антенной принимает входной отраженный от препятствия сигнал с помощью СВЧ диода ДК-С7М. Диод обеспечивает сразу и детектирование. Далее сигнал с диода усиливается операционным усилителем LM358, выход которого подключается напрямую к входу АЦП микроконтроллера. Параллельно к выходу усилителя подключен динамик для слухового контроля приема сигнала. Вся электроника приемной части питается напряжением 5 В, которое получается путем повышения напряжения 3,7 В литиевого аккумулятора преобразователем до необходимых 5 В. Схема на рисунке 2. Блок-схема на рис.3.
Процесс изготовления, готовое изделие, работа прибора и результаты исследований представлены на рис. 4 и таблице в «Приложении».
Так по результатам, представленным в таблице, можно сказать, что прибор пригоден для исследований отражательной способности различных покрытий. А это необходимо при разработке различных беспилотников, где конструкторы выбирают материалы для изготовления своих летательных аппаратов, которые должны быть минимально заметны для радиолокационной разведки.
5. Современные проблемы радиолокации. Радиолокационная разведка
Радиолокационные станции (РЛС) должны быть способны засечь пилотируемую авиацию, БПЛА, ракеты, артиллерийские боеприпасы различных типов и другие движущиеся надводные и наземные цели. Кроме того, РЛС должны вести корректировку огня. Так что проблем у конструкторов радаров достаточно. Это и низко летящие объекты, и малоразмерные беспилотники и учёт технологии стелс (технология малозаметности). Значительного снижения отражённого сигнала можно добиться в сантиметровом диапазоне. Конструкторы самолётов используют геометрию изделия и специальные покрытия, но при этом они всё равно не могут добиться полного поглощения любого радиоизлучения, падающего на объект под произвольным углом. Поэтому главная цель при выборе формы, например боевого самолёта, это – отражение волн в сторону от излучателя. Тогда одна часть сигнала поглощается специальными покрытиями, а другая отражается так, чтобы сигнал не вернулся к наблюдателю [5].
А что делать конструктору РЛС?
В РФ завершились испытания многофункциональных радиолокационных станций нового поколения: «МАРС -2» и «АРЕС-МВК». Они способны обнаруживать практически любые цели. Они нужны для контрбатарейной борьбы, обнаружения беспилотных летательных аппаратов, для охраны военных и стратегически важных гражданских объектов. Указанные РЛС имеют невысокую стоимость, незначительное энергопотребление, у них упрощено управление. Оно стало более понятным.
Развитие событий связанных с СВО показывает тенденцию к нарастанию опасности для внутренних регионов страны. Поэтому нужно не только разрабатывать авторские проекты как представленные на рисунках 5, но и реально воплощать такие конструкции на практике.
6. Заключение
Также как дроны в современных условиях превратились в эффективное вооружение бойцов на фронте, а также как не менее важное и необходимое средство наблюдения, разведки и доставки в других областях деятельности людей, так и радары могут занять свою нишу в решении разнообразных проблем. При этом важно, чтобы в ряде случаев они стали более дешёвыми в изготовлении (или благодаря особенностям конструкции, или применению недорогих материалов). Более массовое производство радаров может быть обеспеченно, если конструкторской деятельностью займётся определённая часть молодёжи. Но, как известно, для конструирования надо досконально понимать происходящие процессы, тем более, что сейчас существуют средства радиоэлектронной борьбы (РЭБ). И данная разработка предназначена для того, чтобы разбираться в рассматриваемых вопросах.
Материал работы может быть предложен к использованию в учебном процессе, а также для исследовательской и проектной деятельности с целью создания радаров или как установка для выбора материалов для беспилотников, обладающих малой заметностью для радиолокации
Список литературы
1. Мякишев Г. Я. Физика-11 / Г.Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин. – М.: Просвещение, 2024. – 320 с.
2. Радиолокация – URL: http://www ru.wikipedia.org/wiki/(дата обращения: 1.02.2023).
3. Основное уравнение радиолокации – URL: http://www ru.wikipedia.org/(дата обращения: 1.03.2024).
4.Диод Ганна-принцип работы, генератор СВЧ на диодах...– URL: http://wwwelektronchic.ru›elektronika/diod-ganna.html(дата обращения: 10.06.2024).
5. Стелс-технология — Википедия
– URL: http://www ru.wikipedia.org›Стелс-технология (дата обращения 10 . 10. 2024).
ПРИЛОЖЕНИЕ «Иллюстрации»
Р ис. 1.1-11. Рупорная антенна, отражение волн, интерференция, преломление в призме и линзе, частичное поглощение волн, поляризация
Рис. 2. Приёмник радиолокатора
Рис.3. Блок-схема
Рис. 4. Сборка прибора и его работа
Таблица. Результаты экспериментов с разными поверхностями
|
Поверхности |
Стекло |
Металл |
Ворс |
Полировка |
Поролон |
|
s по прибору, м |
2,7 |
3 |
0,9 |
2,5 |
0,9 |
Рис. 5. Предложения по РЭБ