Бортовая антенна для беспилотных летательных аппаратов с использованием метаматериала Российский патент 2023 года по МПК H01Q19/26 H01Q19/30 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к слабонаправленным антеннам, использующимся в беспилотных летательных аппаратах.

Изобретение может быть использовано в аппаратуре для беспилотных летательных аппаратов для улучшения характеристик антенн, а именно улучшение направленности и увеличения дальности радиосигнала.

Основными требованиями к бортовым антеннам беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) легкого класса являются:

- обеспечение кругового обзора и максимальной направленности в горизонтальном направлении;

- диапазон рабочих частот около 2500 МГц;

- коэффициент усиления (КУ - G).

Одной из важных задач с беспилотных летательных аппаратов создание антенной техники для определения государственной принадлежности (ОГП).

Анализ известных технических решений показывает целесообразность использования традиционного радиолокационного опознавания (Буренок В.М., Москаленко В.И., Соломенин Е.А. Направления развития систем опознавания// Вооружение и экономика. №1 (17) 2012 г.). На данный момент используется система госопознавания «Страж», касательно антенн беспилотного летательного аппарата используются либо всенаправленные, либо направленные антенны с шириной ДНА порядка 60-90° и усилением 2-4 дБи.

Одним из решений может быть применение коллинеарных антенн (см., например, Пат. РФ №2498466, МПК H01Q 9/20, опубл. 10.11.2013). Однако для достижения требуемого КУ, их высота может достигать 240 мм, что затрудняет их использование на БЛА.

В патенте РФ №2071158, МПК H01Q 19/30, опубл. 27.12.1996, описана бортовая антенна транспортного средства, которая содержит несимметричные вертикальные активный вибратор, рефлектор и директор, установленные в металлическую планку с возможностью регулирования их взаимного положения, а планка жестко закреплена на крыше транспортного средства и имеет электрический контакт с крышей транспортного средства.

Недостатком этой антенны является отрицательное влияние экранирующего действия проводящей поверхности металлической крыши вагона, обусловленное наличием расстояния между монтажной планкой антенны и крышей транспортного средства. Это влияние заключается в резком подъеме направления главного лепестка диаграммы направленности относительно горизонтальной плоскости, что приводит к уменьшению расстояния устойчивой радиосвязи или к полной потере радиосвязи между подвижным транспортным средством и взаимодействующим с ним пунктом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой является бортовая антенна беспилотного летательного аппарата (RU 2715353 C1, МПК H01Q19/30, опубл. 26.02.2020). Она содержит вертикальные, последовательно и линейно расположенные на основной металлической пластине рефлектор, активный вибратор и директор, основную металлическую пластину, установленную на пьедестале.

Основной недостаток антенны является сложная структура исполнения, где каждый пассивный элемент имеет строго свои размеры и значения, а также не учитываются изменения, которые будут вноситься корпусом беспилотного летательного аппарата.

Задачей изобретения является создание антенны беспилотного летательного аппарата с увеличением дальности радиосвязи.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предполагаемое изобретение, является увеличение дальности радиосвязи антенны при корректировке ее вида ДН к оптимальной нормированной ДН.

Технический результат достигается тем, что вблизи антенны-штыря беспилотного летательного аппарата размещаются квадратные пластины из метаматериала, имеющие 1 размерность. Размер квадратной ячейки метаматериала равен 0.51λ. Размер стороны квадратной пластины равен 1.05λ (длина волны). Данные пластины размещаются перпендикулярно антенне-штырю на фюзеляже БПЛА, которые выполнены из материала с отрицательной магнитной проницаемостью.

На Фиг.1 показана антенна-штырь со вставками из метаматериала.

На Фиг. 2 изображены ячейки с указанием параметров из метаматериала и целой пластины, содержащей несколько ячеек.

На Фиг. 3 антенна-штырь со вставками метаматериала на БПЛА в CST Studio Suit.

На Фиг. 4 показаны результаты электродинамического моделирования.

Антенна-штырь с вблизи расположенными вставками из метаматериала, показанная на Фиг. 1, содержит вибратор 1 и пластину из материала с отрицательной магнитной проницаемостью 2.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Электромагнитная энергия, поступающая на штырь, излучается. Под действием излучения наводятся токи на пластине, помещенной вблизи штыря.

Результирующее излучение антенны складывается из излучения токов штыря и поля токов, наведенных на пластине. Систему «антенна-штырь + пластина» можно рассматривать как антенную решетку с активным элементом в центре и пассивных излучателей, соответствующих излучающим токам, наведенным на экране. На Фиг. 2 представлена форма пластины из материала с отрицательной магнитной проницаемостью. На Фиг. 3 показана полная система вместе с беспилотником и его размахом крыла.

Из классических положений теории следует, что мощность принятого отраженного сигнала обратно пропорциональна четвертой степени дальности до цели и пропорциональна ее эффективной площади рассеивания (ЭПР). Условием обнаружения цели в направлении (θ,ϕ) на дальности R является превышение минимального уровня отраженного сигнала, при котором происходит обнаружение с требуемой вероятностью:

(1)

Опознавание при дальности до цели R_отв возможно, если мощность принятого ответного сигнала достаточна:

(2)

где P_{(прм САЗО мин)} - минимальный уровень принятого ответного сигнала, при котором возможно опознавание с заданной вероятностью, G - коэффициент усиления.

Требования к форме ДН антенны ответчика вытекают из условия равенства дальностей обнаружения цели и приема ответного сигнала R_отв= R_РЛС:

(3)

Таким образом, оптимальная нормированная ДН по мощности должна иметь вид:

(4)

Использование антенны ОГП с ДН (4) позволяет увеличить дальность действия при неизменной мощности передатчика ответчика в √G раз.

G= (5)

Из приведенных данных следует, что при подобранном расположении пластин из метаматериала можно скорректировать форму ДН и, как следствие, увеличить дальности радиосвязи.

Антенна для беспилотного летательного аппарата может быть выполнена следующим образом. Штырь выполнен из меди с серебряным или позолоченным покрытием. Пластина из материала с отрицательной магнитной проницаемостью (МNG типа) выполняется в виде диэлектрической пластины с нанесенным на ее поверхности металлическим рисунком в виде разрезных квадратных или круглых колец диаметром не менее λ/π, где λ - длина волны в воздухе. Указанная пластина по электрическим характеристикам соответствует материалу с отрицательной магнитной проницаемостью (И. Слюсар. Метаматериалы в антенной технике. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 7/2009, стр. 72-73).

Для подтверждения технического результата изобретения проведено электродинамическое моделирование заявляемой антенны. Модель антенны приведена на Фиг. 3. На Фиг. 4 представлены расчетные данные.

Разработанная антенна-штырь с использованием метаматериала MNG-типа для беспилотного летательного аппарата позволяет увеличить дальность радиосвязи, соответствующей направлению наземной радиолокационной станции.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к слабонаправленным антеннам, использующимся в беспилотных летательных аппаратах. Сущность заявленного решения заключается в том, что вблизи антенны-штыря беспилотного летательного аппарата размещаются квадратные пластины из метаматериала, имеющие 1 размерность. Размер квадратной ячейки метаматериала равен 0.51λ. Размер стороны квадратной пластины равен 1.05λ, где λ - длина волны. Данные пластины размещаются перпендикулярно антенне-штырю на фюзеляже БПЛА, которые выполнены из материала с отрицательной магнитной проницаемостью. Техническим результатом при реализации заявленного решения является увеличение дальности радиосвязи антенны при корректировке ее вида ДН к оптимальной нормированной ДН. 4 ил.

Бортовая антенна для беспилотных авиационных комплексов нового поколения с использованием метаматериала, состоящая из штыря, один конец которого прикреплен к фюзеляжу, пассивные элементы расположены вблизи штыря, отличающаяся тем, что пассивные элементы представляют собой одноразмерные квадратные диэлектрические пластины, выполненные из материала с отрицательной магнитной проницаемостью, размер квадратной ячейки метаматериала равен 0.51λ, где λ - длина волны, размер стороны квадратной пластины равен 1.05λ.