3.2. Сферическая антенна

Наиболее перспективным классом выпуклых антенн антенн после цилиндрических являются сферические антенны. Такие устройства позволяют осуществлять поворот диаграммы направленности по всем углам только за счет коммутации ее элементов. Число преобразователей, необходимых для обеспечения такого широкоугольного обзора пространства, должно быть приблизительно в пять раз больше, чем у той же антенны с механическим поворотом. Основные трудности возникают при разработке конструкции антенного устройства, который должен обеспечивать форму сферы из преобразователей при достаточно большом количестве электрических выводов. Один из вариантов осуществления сферической конструкции приведен на рисунке 3.1. [8]. Управление ДН таких антенн должно управляться ЭВМ или микропроцессором.

Гидролокационное устройство со сферической антенной позволяет производить быстрый и эффективный поиск в полусферическом объеме воды в пределах дальности действия самого гидролокатора. Этого можно достичь двумя режимами его работы: круговым и комбинированным.

В режиме кругового обзора антенна излучает луч в тонком слое горизонтального кругового сектора. Этот сектор может наклоняться электронным способом по вертикали в интервале от -10^о до 90^о с очень узким угловым шагом, значение шага может доходить порядка 1.5^о. Данный режим управления лучом полностью решает проблему «слепых зон» под судном и вблизи его, которые имеются даже при использовании гидролокаторов с цилиндрическими антеннами.

Рисунок 3.1 - Конструкция сферического антенного устройства

В комбинированном режиме поиска гидролокатор излучает луч как способом, аналогичным описанное выше, но в секторе 180^о, так и в вертикальном полусекторе обзора эхолотного режима, при котором луч сканируется электронным способом в вертикальной плоскости в пределах 180^о за определенное количество шагов. При этом ориентация вертикального сектора изменяется шагами также и в горизонтальной плоскости. Таким способом за несколько импульсов посылки просматривается вся полусфера под судном. Помимо этого, сферическая антенна в данном случае позволяет осуществить электронную стабилизацию гидроакустического луча в пространстве сразу в двух плоскостях. Показ целей в этом режиме можно производить на одном электронном индикаторе, разделяя поля для информации гидролокатора и информации эхолота [4].

3.3. Пьезоэлектрические преобразователи

Основным конструкционным элементом гидроакустической антенны является электроакустический преобразователь. За счет этого элемента происходит преобразование акустической энергии в электрическую и обратно. В основу работы преобразователей лежит пьезоэлектрический эффект, открытый братьями Кюри. В ГА технике задействуются преобразователи, работа которых основана на различных физических принцип, но тем не менее наибольшее распространение ввиду высокой эффективности конструктивных удобств получили пьезоэлектрические и пьезомагнитные.

В данной работе ввиду интересующих нас диапазонов частот, геометрических размеров и ряда других факторов будут задействованы пьезоэлектрические преобразователи, сделанные из пьезокерамики – материала, который обладает высоким пьезоэлектрическим эффектом, достаточно большой прочностью, что в свою очередь позволяет допускать прессование деталей практически любой формы.

Детали для пьезокерамических преобразователей изготавливают путем обжига соответствующего материала под давлением в специальных прессформах. Далее детали шлифуют, тем самым подгоняют их под нужные размеры. Затем пьезоэлементы подвергают поляризации в постоянном поле напряженность. 10-20 кВ/см, после чего полученный пьезоэлемент задействуют в конструкцию преобразователя.

Для проектирования антенны будет задействован ЦТС-24 (цирконат-титанат свинца) из группы сегнетожестских материалов. Данный материал выбран ввиду того, что преобразователи этой группы способны работать в режиме приема и (или) излучения в условиях воздействия сильных электрических и (или) механических напряжений.

Основные характеристики ЦТС-24:

• Модуль Юнга: E = 0.75*10¹¹ Па;

• Плотность, ρ = 7400 кг/м³;

• Скорость звука, С_зв = 3350 м/с;

• Относительная диэлектрическая проницаемость, ε/ε₀ =1075;

• Тангенс угла диэлектрических потерь, tg δ = 0.0075;

• Коэффициент электромеханической связи kзз = 0.45;

• Температура точки Кюри Tк = 543 (270^оС);

• Пьезоэлектрический модуль d₃₃ ;

• Пьезоэлектрический модуль d₃₁ .