Синфазная прямолинейная штыревая УКВ антенная решётка с адаптированным амплитудным распределением Российский патент 2023 года по МПК H01Q9/34 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике и предназначено преимущественно для самоходных (мобильных, передвижных) приемопередающих радиосредств метрового диапазона длин волн. Развитие штыревых антенн самоходных радиосредств идет по двум направлениям: включение в антенну спиральной пружинной вставки (например: заявка Франции N 2252666, 1975 г.) получил большее распространение в самоходных приемопередающих радиосредствах, и изготовление штыря в виде гибкого конструктивного элемента (заявка ФРГ N 3919884; заявки Франции N 2711277 и N 2604631; патент США N 4435713) получило большее распространение в носимых приемопередающих радиосредствах. Наличие в конфигурации антенны пружины приводит к изменению излучающей длины антенны, что снижает ее эффективность, а при механическом движении (колебании) антенны происходит изменение ее резонансной частоты. При установке штыревых антенн на мобильных средствах радиосвязи возникла необходимость разработки гибких штыревых антенн, как травмобезопасных и механически более надежных в эксплуатации. Среди антенн, имеющих спиральную пружинную вставку по конструктивным особенностям и решаемым задачам ближе всего к предлагаемой антенне подходит синфазная прямолинейная штыревая УКВ антенная решетка по патенту РФ №2755589, 2021 г. [5], которая принята за прототип.Эти антенные решетки, с точки зрения электрических параметров, характеризуются:

- использованием в KB и УКВ диапазонах длин волн;

- зауженной диаграммой направленности в угломестной плоскости (середина ДНА составляет около 20°), небольшим зенитным углом (около 10°) и направленными свойствами (за счет равномерного распределения фронта волны) ДНА в горизонтальной плоскости, по сравнению с штыревой антенной типа АШ-4, производства АО «Сарапульский радиозавод» [3];

- низким значением коэффициента усиления (КУ) в диапазоне рабочих частот [1];

- одинаковые основные характеристики на передачу и прием [2]: коэффициент усиления для основного вида поляризации (вертикальной); коэффициент стоячей волны (КСВ); угол максимума диаграммы направленности антенны (ДНА) в вертикальной плоскости; характеристика направленного действия антенны.

Особенностью таких антенных решеток является формирование диаграммы направленности вдоль оси по форме без учета влияния земли, высоты размещения над землей и некоторых других исходных данных.

Конструктивно синфазная прямолинейная штыревая УКВ антенная решетка содержит (фиг. 1) основание антенны 1, механически соединенное с антенной, имеющей высоту L=λmax/2, где λmax - максимальная длина волны диапазона работы приемопередающего радиосредства и состоит из делителя мощности 2, подключаемого к приемо-передатчику 3, четырех диполей равной длины 4 (λmax/8), расположенных последовательно и эквидистантно на одной оси, каждый из которых имеет в основании диэлектрический переходник 5, соединяемый с предыдущим диполем, при этом первый диполь крепится к основанию антенны. Каждый диполь имеет в основании точку питания 6. Основание антенны может устанавливаться на любую опорную поверхность, как в виде пружины в самоходном варианте, так и на жесткую поверхность в стационарном варианте, например, при использовании мачтового устройства, что придает антенной решетке свойство универсальности. Раздельное синфазное и равноамплитудное питание каждого диполя штыревой антенной решетки обеспечивается делителем мощности, при работе на передачу. При работе на прием, сложение мощностей от диполей осуществляется сумматором.

Для анализа основных параметров приведенного выше устройства была разработана электродинамическая модель. По причине простоты устройства синфазной прямолинейной штыревой УКВ антенной решетки с равноамплитудным распределением для анализа была выбрана программа MMANA-GAL-basic [4], позволяющая построить электродинамическую модель диаграммы направленности антенны. Результаты моделирования показаны на фиг. 2.

На фиг. 2 показан результат моделирования диаграммы направленности синфазной прямолинейной штыревой УКВ антенной решетки. Частота высокочастотных (ВЧ) колебаний питающих токов антенны лежит в диапазоне 30…80 МГц (рабочий диапазон частот радиостанций с которыми поставляется прототип). На фиг. 2, фиг. 3 для наглядности показаны результаты моделирования для частот: 30 МГц; 42,5 МГц; 55 МГц; 67,5 МГц и 80 МГц. Материал и диаметр антенны выбраны: диполь - алюминий диаметром 10 мм, пружина - сталь диаметром 4 мм. Высота точки питания антенны выбрана для случая установки ее на самоходном шасси - 2 м. В качестве подстилающей поверхности выбрана реальная земля. Диаграммы направленностей модели антенны показаны в горизонтальной и вертикальной плоскостях при питании антенны ВЧ-током на разных частотах. Также приведены основные характеристики: коэффициент усиления Ga, для основного вида поляризации (вертикальной), коэффициент стоячей волны (КСВ) и угол максимума диаграммы направленности антенны (ДНА) в вертикальной плоскости.

Кроме того, развитие штыревых антенных решеток целесообразно вести в направлении варьированья их пространственными характеристиками. Например, при увеличении расстояния размещения антенной решетки над землей, на величину λ, форма ДНА из показанной на фиг. 2 изменяется и приобретает форму, близкую к функции показанной на фиг. 3.

Известным свойством равноамплитудных антенных решеток является сравнительно большой уровень боковых лепестков [2]. В частности уровень первых трех из них составляет: 21,2%; 12,7%; 9,1% от главного. Между тем, для увеличения помехоустойчивости необходимо этот уровень понижать.

Одним из методов является использование неравноамплитудного распределения токов (полей) по решетке. Предлагаемая в заявке на изобретение синфазная прямолинейная штыревая УКВ антенная решетка с адаптированным амплитудным распределением имеет конструкцию, аналогичную указанной на фиг. 1. Диполи по удаленности от основания 1 обозначим номерами i=1; 2; 3; 4, соответственно. Исключение составляет делитель мощности 2, подключаемый к приемо-передатчику 3, обеспечивающий синфазное и адаптированное амплитудное распределение для питания четырех диполей при работе на передачу и синфазное и адаптированное амплитудное суммирование амплитуд четырех диполей при работе на прием. Малое количество диполей и неоптимальный шаг антенной решетки определяют необходимость адаптации соотношения ширины ДНА и малого уровня ее боковых лепестков к уровню амплитуд токов питающих диполи, которое достигается комбинированным косинусоидальным распределением амплитуд:

где x_i - текущая дискретная координата диполя вдоль оси решетки, которая принимает значения: ¼ 0; 0; ¼, соответственно.

Применение адаптированного амплитудного распределения позволяет уменьшить уровень боковых лепестков диаграммы направленности в 3 и более раз, в зависимости от значения несущей частоты питающих токов и высоты подъема основания антенны. Полученные направленные свойства при этом достигаются за счет того, что в нужном направлении (вдоль земной поверхности) доминирует поле не крайних излучателей. Так, при косинусоидальном распределении уровни первых трех боковых лепестков составляет: 7%; 3%; 2% соответственно.

Техническим результатом является уменьшение уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенной решетки при увеличении высоты ее размещения, путем адаптации соотношения ширины ДНА и малого уровня ее боковых лепестков к уровню амплитуд токов питающих диполи для повышения электромагнитной совместимости радиотехнических устройств.

Результат моделирования диаграммы направленности синфазной прямолинейной штыревой УКВ антенной решетки с адаптированным амплитудным распределением представлен на фиг. 4.

Из фиг. 4 видно, что вертикальное сечение ДНА, с реализацией адаптированного распределения амплитуд токов диполей антенной решетки имеет существенно меньший уровень боковых лепестков в зенитных углах более 50°. Коэффициент усиления антенной решетки увеличивается от 10% до 13%. Ширина диаграммы направленности антенны составляет около 20°.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. И. Григоров. Антенны для радиолюбителей. Классические антенны.

2. Г.Б. Белоцерковский. Основы радиотехники и антенны. М. Радио и связь, 1983.

3. http://srzudm.ru/

4. Гончаренко И.В. Антенны KB и УКВ. Часть П. Основы и практика.

5. Суханов В.В., Жендарев М.В., Битаев Е.С., Адамский А.Н., Любутина Е.В. Синфазная прямолинейная штыревая УКВ антенная решетка. Патент на изобретение №2755589. Зарегистрирован 17.09.2021 г. срок действия патента истекает 23.03.2040 г. Заявка №2020111896. Приоритет изобретения 23.03.2020 г.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и предназначено преимущественно для самоходных (мобильных, передвижных) приемопередающих радиосредств метрового диапазона длин волн. Сущность заявленного решения заключается в том, что синфазная прямолинейная штыревая УКВ антенная решетка с адаптированным амплитудным распределением длиной равной половине максимальной длины волны рабочего диапазона длин волн, содержащая делитель мощности, питающий четыре диполя равной длины, расположенных последовательно и эквидистантно на одной оси, каждый из которых имеет в основании диэлектрический переходник, соединяемый с предыдущим диполем, при этом первый диполь крепится к основанию антенны, которая в свою очередь крепится к необходимой опорной поверхности, при этом подводимая к ней мощность неравномерно, по комбинированному косинусоидальному распределению, делится для питания каждого диполя решетки, каждый из которых имеет в основании точку питания. Техническим результатом при реализации заявленного решения является уменьшение уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенной решетки при увеличении высоты ее размещения, путем адаптации соотношения ширины ДНА и малого уровня ее боковых лепестков к уровню амплитуд токов, питающих диполи, для повышения электромагнитной совместимости радиотехнических устройств. 4 ил.

Синфазная прямолинейная штыревая УКВ антенная решетка с адаптированным амплитудным распределением длиной равной половине максимальной длины волны рабочего диапазона длин волн, содержащая делитель мощности, питающий четыре диполя равной длины, расположенных последовательно и эквидистантно на одной оси, каждый из которых имеет в основании диэлектрический переходник, соединяемый с предыдущим диполем, при этом первый диполь крепится к основанию антенны, которая в свою очередь крепится к необходимой опорной поверхности, отличающаяся тем, что подводимая к ней мощность неравномерно, по комбинированному косинусоидальному распределению, делится для питания каждого диполя решетки, каждый из которых имеет в основании точку питания.