ПРИЕМНАЯ РАМОЧНАЯ АНТЕННА С ИЗМЕНЯЕМОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве приемной антенны радиосвязи на подвижных объектах в диапазоне очень низких частот (ОНЧ) - 3-30 кГц и длинноволновой части диапазона низких частот (НЧ) - 30-100 кГц под водой, а также на частотах от 3 кГц до 100 МГц в воздушной среде, при действии сосредоточенных помех.
1
2
В таких условиях для приема электромагнитных колебаний используют рамочные антенны с восьмеричной: G(φ,φ′)=cos(φ-φ′) или кардиоидной: G(φ,φ′)=1+cos(φ-φ′) диаграммами направленности (ДН), где φ - угол падения электромагнитной волны в воздухе на плоскость рамки; φ′ - фазовый угол, вносимый устройством вращения ДН. С помощью поворотного устройства, гониометрической системы или электронного устройства вращения ДН минимум диаграммы направленности ориентируют на направление прихода помехи, в результате чего происходит ее существенное ослабление. Полезный сигнал принимается с другого направления и ослабляется в меньшей степени.
На подвижных объектах, как правило, к одной антенне подключают несколько радиоприемников, работающих на разных приемных частотах, поэтому в условиях радиоэлектронного противодействия весьма вероятна ситуация появления двух и более помех, приходящих с нескольких направлений, что не позволяет отстроиться должным образом от мешающих приему воздействий. В таких условиях поступают следующим образом: максимум ДН приемной антенны ориентируют на передающую радиостанцию, обеспечивая тем самым максимальный коэффициент передачи сигнала; помехи, приходящие с других направлений, при этом ослабляются, за счет чего получается выигрыш в отношении сигнал/помеха. Использование вышеупомянутых диаграмм направленности в данном случае не всегда оказывается эффективным. Необходимо иметь возможность формировать ряд ДН, каждая из которых могла бы применяться в определенном диапазоне направлений прихода сигналов связи и помех в точку приема.
Известны антенны [1, 4-6], в которых для формирования кардиоидной ДН для приема сигналов применяют одну ненаправленную и две взаимно ортогональные (направленные) рамочные антенны. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является кардиоидная антенна для подводного радиоприема [6], содержащая две взаимно перпендикулярные рамки, подключенные через устройство вращения диаграммы направленности к первому входу сумматора, выход которого является выходом устройства, а ко второму его входу через согласующее устройство подсоединена ненаправленная в горизонтальной плоскости антенна, выполненная в виде двух последовательно соединенных взаимно перпендикулярных рамочных антенн (далее по тексту, компланарные рамочные антенны), каждая из которых состоит из двух разнесенных по горизонтали противофазных компланарных рамок, причем все проводники антенны, контактирующие с внешней средой, изолированы. Это устройство принято заявителем за прототип.
Недостатками прототипа являются:
- невозможность при необходимости использовать для приема, кроме кардиоидной, восьмеричную ДН;
- малая эффективность приемной антенны по пространственной селекции двух и более помех, приходящих с разных направлений.
Цель полезной модели - расширение функциональных возможностей приемной антенны по подавлению помех.
Поставленная цель достигается тем, что, в отличие от прототипа, компланарные рамки подключены к согласующему устройству (СУ), имеющему два входа, через управляемый антенный коммутатор, который, в зависимости от выбранного режима работы, либо отключает оба входа СУ, либо подключает к первому входу первую или вторую компланарные рамки (второй вход при этом отключен), либо подключает ко второму входу СУ (при отключенном первом входе) последовательно соединенные взаимно перпендикулярные компланарные рамки.
3КР
4КР
Следует отметить, что компланарные рамки в прототипе, будучи взаимно перпендикулярными, могут располагаться в горизонтальной плоскости относительно рамок 1 и 2 (также взаимно перпендикулярных) произвольно, поэтому диаграммы направленности G и G компланарных рамок 3 и 4 соответственно в общем случае будут определяться выражениями:
где ψ - угол ориентирования компланарных рамок 3 и 4 относительно рамок 1 и 2 соответственно.
Заявляемое устройство (см. фиг. 1) содержит рамочные антенны 1 и 2, компланарные рамочные антенны 3 и 4, устройство вращения диаграммы направленности - УВДН 5, согласующее устройство 6, сумматор 7 и управляемый антенный коммутатор 8. При этом рамочные антенны 1 и 2 подключены к первому и второму входу УВДН, выход которого соединен с первым входом сумматора. Компланарные рамочные антенны 3 и 4 подключены к первому и второму входу управляемого антенного коммутатора, выходы которого соединены с первым и вторым входом согласующего устройства, выход которого подключен ко второму входу сумматора, выход которого является выходом устройства. Все входы и выходы заявляемой полезной модели симметричны.
Согласующее устройство выполнено, как в прототипе, в виде согласующего трансформатора, но с двумя первичными обмотками, первая из которых (вход 1) служит для подключения одиночных компланарных рамочных антенн, а вторая (вход 2) - для подключения последовательно соединенных компланарных рамочных антенн, причем в выходную обмотку СУ включен фазовращатель на 90°. Сигналы, поступающие на входы 1 или 2 согласующего устройства, увеличиваются по амплитуде на его выходе до величины, равной амплитуде сигнала на первом входе сумматора, и изменяют фазу на 90° так, что э.д.с. на первом и втором входах сумматора становятся одинаковыми по амплитуде и фазе.
Управляемый антенный коммутатор 8 может быть выполнен в виде совокупности механических или электронных ключей 8.1-8.9 (фиг. 2). Он реализует следующие режимы работы:
1. Ключи 8.1-8.9 разомкнуты - компланарные рамочные антенны отключены от входов 1 и 2 СУ.
2. Ключи 8.1, 8.2, 8.5, 8.8, 8.9 замкнуты, ключи 8.3, 8.4, 8.6, 8.7 разомкнуты - компланарные рамочные антенны 3 и 4 соединяются последовательно и подключаются ко второму входу согласующего устройства.
3. Ключи 8.2, 8.3, 8.6, 8.7 замкнуты, ключи 8.1, 8.4, 8.5, 8.8, 8.9 разомкнуты - компланарная рамочная антенна 3 подключена к первому входу СУ.
4. Ключи 8.4, 8.5, 8.6, 8.7 замкнуты, ключи 8.1, 8.2, 8.3, 8.8, 8.9 разомкнуты - компланарная рамочная антенна 4 подключена к первому входу СУ.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
1
При включении режима 1 сигналы на входах 1 и 2 СУ и, следовательно, на входе 2 сумматора отсутствуют. Поэтому в работе участвуют только блоки 1, 2, 5, 7, которые обеспечивают восьмеричный прием с ДН G(φ,φ′)=cos(φ-φ′), вращаемой изменением фазового угла φ′ [6].
2
При включении режима 2 работа устройства ничем не отличается от прототипа, и обеспечивается кардиоидный прием с ДН G(φ,φ′)=1+cos(φ-φ′) вращаемой изменением фазового угла φ′.
При включении режима 3 осуществляется сложение восьмеричной диаграммы направленности, получаемой с помощью рамок 1 и 2, подключенных к УВДН и ДН компланарной рамочной антенны 3, что обеспечивает прием с ДН
При этом на УВДН выставляется фазовый угол φ′=ψ или φ′=ψ+180°.
При включении режима 4 осуществляется сложение восьмеричной диаграммы направленности, получаемой с помощью рамок 1 и 2, подключенных к УВДН и ДН компланарной рамочной антенны 4, что обеспечивает прием с ДН
При этом на УВДН выставляется фазовый угол φ′=ψ+90° или φ′=ψ-90°.
Рассмотрим диаграммы направленности, реализуемые в режимах 3 и 4, для простоты полагая ψ=0°.
В режиме 3 при φ′=ψ=0° выражение (2) примет вид:
0,707
Графическое изображение нормированной ДН, соответствующей выражению (4), приведено на фиг. 3. Такая ДН имеет три максимума: один главный при φ=0° и два побочных (0,125 от величины главного максимума) при φ=120° и φ=240°, а также три нулевых минимума - при φ=90°, φ=180° и φ=270°. Ширина главного лепестка ДН составляет θ=Δφ=75,6°≈76°.
0,707
0,707
Для сравнения, восьмеричная ДН имеет два главных максимума при φ=0° и φ=180°, а также два минимума - при φ=90° и φ=180°. Ширина каждого лепестка ДН составляет θ=Δφ=90°. Кардиоидная ДН имеет один максимум при φ=0° и один минимум при φ=180°. Ширина ДН составляет θ=Δφ=121°.
п
с
с
п
п
п
с
Таким образом, при сложении диаграмм направленности традиционной и компланарной рамочных антенн получается ДН, обладающая новыми положительными свойствами, отличными от традиционной рамочной и кардиоидной антенн. Действительно, несмотря на то, что новая ДН имеет два побочных лепестка, даже в направлениях их максимумов (при φ=120° и φ=240°) имеет место значительный коэффициент подавления K=0,125. Если принять азимут A на источник сигнала A=0°, то в диапазоне азимутов A на источники помех 78°≤A≤282≤ (Δ=A-A=204°), мешающие сигналы будут ослаблены не менее, чем в 8 раз.
п
п
с
п
1
п
с
п
2
п
с
Для сравнения, диапазон азимутов, при тех же условиях, для кардиоидной антенны составляет 139°≤A≤221° (Δ=A-A=82°), а для традиционной рамки - 83°≤A≤97° (Δ=A-A=14°); 263°≤A≤277° (Δ=A-A=14°).
Как видно, новая диаграмма направленности имеет самый широкий диапазон азимутов, в котором мешающие сигналы эффективно ослабляются, что расширяет функциональные возможности приемной антенны по подавлению помех.
Если установить в режиме 3 φ′=ψ+180°=180°, то выражение (2) будет иметь вид:
и максимум главного лепестка будет при φ=180°.
В режиме 4 при φ′=ψ+90°=90° выражение (3) примет вид:
и максимум главного лепестка имеет место при φ=90°.
Если установить в режиме 4 φ′=ψ-90°=270°, то выражение (3) будет иметь вид:
и максимум главного лепестка будет при φ=270°.
2
Таким образом, использование режимов 3 и 4 позволяет сформировать диаграммы направленности типа G(φ)=cosφ+cosφ с направлениями главного максимума, ориентированными по четырем азимутам: 0°, 90°, 180°, 270°. С учетом угла ψ значения этих азимутов - ψ, ψ+90°, ψ+180°, ψ+270°.
Как видно, в режимах 3 и 4 плавное вращение диаграммы направленности не обеспечивается, поэтому сначала выбирают одно из четырех значений азимутов, наиболее близкое к требуемому, а окончательное ориентирование максимума ДН на передающую радиостанцию производится путем изменения курса подвижного объекта.
Таким образом, в зависимости от режима работы управляемого антенного коммутатора можно сформировать три вида диаграмм направленности, каждая из которых может быть использована в конкретной помеховой обстановке, что расширяет функциональные возможности приемной антенны по ослаблению двух и более помех, приходящих с разных направлений.
Заявляемая антенна может быть использована при подводном приеме в диапазоне частот от 3 до 300 кГц, в зависимости от требуемых дальности и глубины приема [2, с. 16, рис. 1.11-1.13; с. 48, рис. 1.38]. Возможно также применение подобной антенны в воздушной среде при выполнении условия [3, с. 253]: P/λ<0,143, где P - периметр рамки; λ - длина волны. Практически применение рамочных антенн ограничено нижней частью диапазона УВЧ (до 100 МГц).
Использование новых элементов и связей, указанных в отличительной части формулы полезной модели, выгодно отличает предлагаемое техническое решение от прототипа, создает новый положительный эффект, который состоит в повышении функциональных возможностей пространственной селекции сигналов и помех при приеме сообщений в условиях радиоэлектронного подавления путем изменения диаграммы направленности приемной антенны за счет коммутации компланарных рамочных антенн в различных сочетаниях.
1. Рамка 1.
2. Рамка 2.
3. Компланарная рамочная антенна 1.
4. Компланарная рамочная антенна 2.
5. Устройство вращения диаграммы направленности.
6. Согласующее устройство.
7. Сумматор.
8. Управляемый антенный коммутатор.
Литература
1. Белоцерковский Г.Б. Антенны. - М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1956. - 496 с.
2. Додонов А.В., Михеев А.В. Подводный радиоприем. - М.: Воениздат, 1996. - 190 с.
3. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М.: Энергия, 1973. С. 258-259.
4. Патент РФ №2025841, H01Q 3/36, 1994.
5. Патент РФ №2130220, H01Q 21/29, 1996.
6. Патент РФ №2510107, H01Q 7/00, 2009.