Остронаправленная высотная антенна Российский патент 2025 года по МПК H01Q1/28 H01Q21/12 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве высотной антенны приемного устройства радиопеленгатора.

В задачах повышения точности пеленгования малозаметных низколетящих летательных объектов необходимо повышать высоту установки антенн над земной поверхностью, как минимум необходимо превысить все близлежащие препятствия. Данную задачу возможно решить путем поднятия в воздушное пространство посредством летательных аппаратов, обладающих высокой устойчивостью, набора многоэлементных линейных антенных решеток, возбуждаемых однопроводными линиями передачи (ОЛП), которые имеют возможность формировать диаграмму направленности с изменяемыми пространственными параметрами.

Известна всенаправленная высотная антенна представляющая собой однопроводную линию передачи, один конец которой нагружен на согласованную нагрузку и крепится на аэростате, а другой конец связан с приемопередатчиком и с помощью анкера крепится к земле. Возбуждение однопроводной линии передачи осуществляется с помощью рупоров. Вблизи однопроводной линии передачи располагаются переизлучающие неоднородности, например, в виде вибраторов (патент РФ на изобретение №2099827C1, Заявка №94028873/09, 02.08.1994- МПК H01Q 1/28 - прототип).

Это обеспечивается за счет того, что основная часть энергии электромагнитного поля однопроводной линии поверхностной волны сосредоточена вблизи провода в области радиусом, равным длине волны [Ефимов И. E. Радиочастотные линии передачи. М. Сов. радио, 1964. с. 600].

Любая неоднородность, находящаяся в этом поле, вызывает переизлучение энергии поля поверхностной волны. В этом случае отсутствуют потери энергии между фидерным трактом и антенной, т.к. переизлучающие элементы находятся непосредственно в электромагнитном поле поверхностной волны. Всенаправленная высотная антенна представляет собой однопроводную линию передачи, один конец которой нагружен на согласованную нагрузку и крепится на аэростате, а другой конец связан с приемопередатчиком и с помощью анкера крепится к земле. Возбуждение однопроводной линии передачи осуществляется с помощью рупоров. Вблизи однопроводной линии передачи располагаются переизлучающие неоднородности, например, вибраторы. В зависимости от расположения вибраторов вдоль и вокруг провода однопроводной линии поверхностной волны можно получить различные диаграммы направленности на разных поляризациях и частотах. Таким образом, антенны в чистом виде, без однопроводной линии передачи, не существует. Совокупность расположенных определенным образом вибраторов и однопроводная линия передачи совместно представляют конструкцию всенаправленной высотной антенны, причем вибраторы гальванически не связаны с проводом однопроводной линии передачи.

Недостатками данной антенны, при использования в пеленгаторах, является всенаправленное излучения электромагнитной волны, причем однопроводная линия передачи ориентирована только вертикально и один конец этой линии должен находиться на земле.

Предлагаемое техническое решение направлено на получение технического результата, который позволит существенно повысить дальность действия, упростить технологию изготовления, монтажа и развертывания, уменьшить массу, увеличить механическую прочность приемной антенной системы радиолокационного комплекса низколетящих и малоразмерных воздушных целей за счет применения многоэлементных горизонтальных линейных антенных подрешеток на основе однопроводных линий передачи (ОЛП).

Указанный технический результат достигается тем, что в остронаправленную высотную антенну из двух и более ярусных многоэлементных горизонтальных линейных подрешеток, размещенных параллельно опорной поверхности одна над другой по вертикали, собранных в единую конструкцию и закрепленных на паре летательных аппаратов, дополнительно введены две или более ярусные многоэлементные горизонтальные линейные подрешетки, размещенные параллельно земле одна над другой по вертикали с периодом не более половины длины волны, каждая из которых состоит из пары плоских рупоров поперечного электромагнитного поля TEM-типа, представляющих собой листовой металлический прямоугольник со щелью, расширяющейся в сторону центра подрешетки вдоль горизонтальной оси симметрии и разделяющей металлический прямоугольник на две симметричные фигуры, причем пара упомянутых ТЕМ-рупоров разнесена по горизонтали и развернута навстречу друг к другу, при этом к внешним противоположным горизонтальным ребрам ТЕМ-рупоров в узкой части щели прикреплен металлический провод в диэлектрической изоляции, причем диаметр провода и диаметр изоляции определяются из условия равенства волнового сопротивления в данной подрешетке входному сопротивлению приемного устройства, при этом пара указанных ТЕМ-рупоров и упомянутый металлический провод в диэлектрической изоляции являются однопроводной линией передачи и одновременно выполняют роль фидера и экрана, отражающим волны, переизлучаемые вибраторами, для формирования однонаправленного излучения, при этом параллельно упомянутому проводу размещены по одну строну от однопроводной линии передачи в горизонтальной плоскости диэлектрические тонкие элементы, на которых размещены тонкопроволочные металлические вибраторные элементы с периодом меньше или равным рабочей длине волны в воздухе (), длина антенны совпадает с длиной подрешетки.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 и фиг.2 показан вариант выполнения остронаправленной высотной антенны, на фиг.3 показана расчетная диаграмма в объеме, на фиг.4 показана расчетная диаграмма в декартовой системе координат в азимутальной плоскости с параметрами коэффициента усиления 20 dBi, шириной главного лепестка в азимутальной плоскости (по уровню 3 dB) 1 градус, уровнем заднего лепестка минус 8,9 dB, на фиг.5 показана расчетная диаграмма в декартовой системе координат в угломестной плоскости шириной главного лепестка (по уровню 3 dB) 64.6 градуса.

Вариант выполнения остронаправленной высотной антенны, показанный на фиг.1 и фиг.2, содержит четыре линейных антенных подрешетки, состоящих из пары плоских ТЕМ-рупоров левый 1 (активный), правый 4 (пассивный). Между ними растянут провод ОЛП в виде металлического провода в диэлектрической изоляции (фидера) 2, закрепленного в узкой части расширяющейся щели ТЕМ-рупоров. К контактам активного ТЕМ-рупора подключены: центральная жила коаксиального кабеля питания – к металлическому проводу, оплетка коаксиального кабеля питания – к металлической части ТЕМ-рупора. Параллельно проводу ОЛП закреплены в горизонтальной плоскости диэлектрические тонкие элементы, на которых размещены тонкопроволочные металлические вибраторные элементы 3 (отрезки металлического провода) Параметры и состав линейных антенных подрешеток выбраны такими, что бы при облучении подрешеток падающей электромагнитной волной в них инициировался режим бегущих волн. Подбором параметров пассивного ТЕМ-рупора 4 в подрешетке обеспечено затухание возбуждаемой бегущей электромагнитной волны до нуля. Такое пространственное распределение подрешеток из ТЕМ-рупоров, однопроводных линий передачи, тонкопроволочных металлических вибраторных элементов обеспечивает формирование рабочей диаграммы направленности.

Принцип работы остронаправленной высотной антенны заключается в приведении в рабочее состояние антенны путем подъема набора линейных антенных подрешеток, совмещенных в единую конструкцию, парой малоскоростных летательных аппаратов так, что бы четыре линейных антенных подрешетки распределились параллельно опорной поверхности одна над другой по вертикали. Диэлектрические тонкие элементы, на которых размещены тонкопроволочные металлические вибраторные элементы должны быть ориентированы в сторону источника отраженной электромагнитной волны. В режиме сканирования воздушного пространства за счет механического перемещения пары малоскоростных летательных аппаратов по круговой траектории вокруг точки симметрии в горизонтальной плоскости в режиме реального времени происходит оценка на четырех парах контактов питающих коаксиальных кабелей, подключенных к четырем активным TEM-рупорам (левым), мгновенного комплексного напряжения наводимого электрического тока в точке контакта -го TEM-рупора (где - номер активного рупора антенной подрешетки), отраженной электромагнитной волны от неизвестного воздушного объекта. Комплексные напряжения на нагрузках TEM-рупоров пеленгаторной остронаправленной высотной антенны представлены следующим образом:

, (1)

где – значение комплексной амплитуды – составляющей напряженности электрической компоненты поля в точке с координатами ; – комплексное выражение фазовой компоненты измеренной амплитуды для – составляющей поля -го TEM-рупора линейной антенной решетки в составе антенной системы, учитывающая действующую длину элементов линейных антенных подрешеток (фазовая компонента вычисляется относительно точки с координатами ). Измерение и оценка пеленга неизвестного воздушного объекта по углу места и азимуту основана на численном расчете диаграммы направленности амплитудно-фазовым и фазовым способами.

В ходе натурного эксперимента с остронаправленной высотной антенной на основе пеленгации источников электромагнитных излучения с известным (эталонным) значением пеленга проводится калибровка комплексных ДН четырех линейных подрешеток путем вычисления и минимизации коэффициента взаимной корреляции измеренных и эталонных амплитудно-фазовых значений.

Пример практического применения

Моделирование работы остронаправленной высотной антенны с помощью пакета трехмерного моделирования электромагнитного поля позволило получить следующие характеристики диаграммы направленности (фиг.3) антенной системы в объеме с параметрами коэффициента усиления 20 dBi, шириной главного лепестка в азимутальной плоскости (по уровню 3 dB) 1 градус (фиг.4), уровнем заднего лепестка минус 8,9 dB, шириной главного лепестка в угломестной плоскости (по уровню 3 dB) 64.6 градуса (фиг.5).

Данная работа по моделированию работы остронаправленной высотной антенны с помощью пакета трехмерного моделирования электромагнитного поля выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FZGM-2024-0006).

Использование предложенного технического решения позволит существенно повысить дальность действия, упростить технологию изготовления, монтажа и развертывания, уменьшить массу, увеличить механическую прочность приемной антенной системы радиолокационного комплекса низколетящих и малоразмерных воздушных целей за счет применения многоэлементных горизонтальных линейных антенных подрешеток на основе однопроводных линий передачи.

Изобретение относится к антенной технике и служит в качестве высотной антенны приемного устройства радиопеленгатора. Технический результат - повышение дальности действия, упрощение изготовления, монтажа и развертывания, увеличение механической прочности. Результат достигается тем, что предложена остронаправленная высотная антенна из двух и более ярусных многоэлементных горизонтальных линейных подрешеток, размещенных параллельно опорной поверхности одна над другой по вертикали, собранных в единую конструкцию и закрепленных на паре летательных аппаратов, согласно изобретению дополнительно введены две или более ярусные подрешетки, размещенные параллельно земле одна над другой по вертикали, каждая из которых состоит из пары плоских рупоров поперечного электромагнитного поля TEM-типа в виде листового металлического прямоугольника со щелью, расширяющейся в сторону центра подрешетки вдоль горизонтальной оси симметрии и разделяющей прямоугольник на две симметричные фигуры, причем пара упомянутых ТЕМ-рупоров разнесена по горизонтали и развернута навстречу друг к другу, при этом к ребрам ТЕМ-рупоров в узкой части щели прикреплен металлический провод в диэлектрической изоляции. 5 ил.

Остронаправленная высотная антенна из двух и более ярусных многоэлементных горизонтальных линейных подрешеток, размещенных параллельно опорной поверхности одна над другой по вертикали, собранных в единую конструкцию и закрепленных на паре летательных аппаратов, отличающаяся тем, что в антенную конструкцию дополнительно введены две или более ярусные многоэлементные горизонтальные линейные подрешетки, размещенные параллельно земле одна над другой по вертикали с периодом не более половины длины волны, каждая из которых состоит из пары плоских рупоров поперечного электромагнитного поля TEM-типа, представляющих собой листовой металлический прямоугольник со щелью, расширяющейся в сторону центра подрешетки вдоль горизонтальной оси симметрии и разделяющей металлический прямоугольник на две симметричные фигуры, причем пара упомянутых ТЕМ-рупоров разнесена по горизонтали и развернута навстречу друг к другу, при этом к внешним противоположным горизонтальным ребрам ТЕМ-рупоров в узкой части щели прикреплен металлический провод в диэлектрической изоляции, причем диаметр провода и диаметр изоляции определяются из условия равенства волнового сопротивления в данной подрешетке входному сопротивлению приемного устройства, при этом пара указанных ТЕМ-рупоров и упомянутый металлический провод в диэлектрической изоляции являются однопроводной линией передачи и одновременно выполняют роль фидера и экрана, отражающего волны, переизлучаемые вибраторами, для формирования однонаправленного излучения, при этом параллельно упомянутому проводу размещены по одну строну от однопроводной линии передачи в горизонтальной плоскости диэлектрические тонкие элементы, на которых размещены тонкопроволочные металлические вибраторные элементы с периодом меньше или равным рабочей длине волны в воздухе (), длина антенны совпадает с длиной подрешетки.