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 в горизонтальной плоскости (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 и помех в точку приема.
3
2
Известны антенны [1, 4-6], которые имеют восьмеричные и кардиоидные ДН, а также антенна [7], обеспечивающая, наряду с вышеупомянутыми, ДН вида: G(ϕ)=cosϕ+cosϕ. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является приемная рамочная антенна [7], содержащая две взаимно перпендикулярные рамочные антенны, каждая из которых состоит из двух разнесенных по горизонтали противофазных компланарных рамок (далее по тексту - компланарные рамочные антенны), а также две взаимно перпендикулярные рамки, подключенные через устройство вращения диаграммы направленности к первому входу сумматора, выход которого является выходом устройства, а ко второму его входу подключено согласующее устройство, к первому и второму входам которого подключены через управляемый антенный коммутатор компланарные рамочные антенны, причем все проводники антенны, контактирующие с внешней средой, изолированы. Это устройство принято заявителем за прототип.
Недостатками прототипа являются:
- отсутствие возможности обеспечения ненаправленного приема, когда неизвестны направления и время приема сигналов;
- малая эффективность приемной антенны по пространственной селекции помех, приходящих с направлений, близких к направлению прихода сигнала.
Цель полезной модели - расширение функциональных возможностей приемной антенны по подавлению помех.
4
Поставленная цель достигается тем, что, в отличие от прототипа, в состав устройства включена рамочная антенна, состоящая из двух разнесенных по горизонтали противофазных коаксиальных рамок (далее по тексту - коаксиальная рамочная антенна), имеющая ДН при вертикальной поляризации принимаемой электромагнитной волны вида: G(ϕ)=sinϕ cosϕ [3, с. 260, рис. 6-6б], и дополнительный антенный коммутатор. При этом компланарные рамки подключены к первому и второму входам, а коаксиальная рамочная антенна - к третьему входу согласующего устройства (СУ) 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, либо подключает к третьему входу СУ коаксиальную рамочную антенну при отключенных первом и втором входах.
Дополнительный антенный коммутатор служит для подключения к сумматору и отключения от него устройства вращения диаграммы направленности с подсоединенными двумя взаимно перпендикулярными рамками.
Заявляемое устройство (см. фиг. 1) содержит рамки 1 и 2, компланарные рамочные антенны 3 и 4, устройство вращения диаграммы направленности - УВДН 5, согласующее устройство 6, сумматор 7, управляемый антенный коммутатор 8, дополнительный антенный коммутатор 9 и коаксиальную рамочную антенну 10. При этом рамки 1 и 2 подключены к первому и второму входам УВДН 5, выход которого соединен через дополнительный антенный коммутатор 9 с первым входом сумматора 7. Компланарные рамочные антенны 3 и 4 подключены к первому и второму входам, а коаксиальная рамочная антенна 10 - к третьему входу управляемого антенного коммутатора 10, соответствующие выходы которого соединены с первым, вторым и третьим входами согласующего устройства 6, выход которого подключен ко второму входу сумматора 7, 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 тремя первичными обмотками, первая из которых (вход 1) служит для подключения одиночных компланарных рамочных антенн, вторая (вход 2) - для подключения последовательно соединенных компланарных рамочных антенн, а третья (вход 3) - для подключения коаксиальной рамочной антенны, причем в выходную обмотку СУ включен фазовращатель на 90°. Таким образом, сигналы на первом и втором входах сумматора всегда одинаковы по амплитуде и фазе.
Управляемый антенный коммутатор 8 может быть выполнен в виде совокупности механических или электронных ключей 8.1-8.11 (фиг. 2), а дополнительный антенный коммутатор - в виде пары аналогичных ключей 9.1-9.2 (фиг. 3). При этом реализуются следующие режимы работы:
1. Ключи 8.1-8.11 разомкнуты, ключи 9.1-9.2 замкнуты - компланарные 1, 2 и коаксиальная 10 рамочные антенны отключены от входов СУ 6, а УВДН 5 с рамками 1 и 2 соединен с первым входом сумматора 7.
2. Ключи 8.1, 8.2, 8.5, 8.8, 8.9, 9.1, 9.2 замкнуты, ключи 8.3, 8.4, 8.6, 8.7, 8.10, 8.11 разомкнуты - компланарные рамочные антенны 3 и 4 соединяются последовательно и подключаются ко второму входу СУ 6, выход которого соединяется со вторым входом сумматора 7, на первый вход которого через дополнительный коммутатор 9 подключен УВДН 5 с рамками 1 и 2.
3. Ключи 8.2, 8.3, 8.6, 8.7, 9.1, 9.2 замкнуты, ключи 8.1, 8.4, 8.5, 8.8-8.11 разомкнуты - компланарная рамочная антенна 3 подключена к первому входу СУ 6, выход которого соединяется со вторым входом сумматора 7, на первый вход которого через дополнительный коммутатор 9 подключен УВДН 5 с рамками 1 и 2.
4. Ключи 8.4-8.7, 9.1, 9.2 замкнуты, ключи 8.1-8.3, 8.8-8.11 разомкнуты - компланарная рамочная антенна 4 подключена к первому входу СУ 6, выход которого соединяется со вторым входом сумматора 7, на первый вход которого через дополнительный коммутатор 10 подключен УВДН 5 с рамками 1 и 2.
5. Ключи 8.1, 8.2, 8.5, 8.8, 8.9 замкнуты, ключи 8.3, 8.4, 8.6, 8.7, 8.10, 8.11, 9.1, 9.2 разомкнуты - компланарные рамочные антенны 3 и 4 соединяются последовательно и подключаются ко второму входу СУ 6, выход которого соединяется со вторым входом сумматора 7, первый вход которого отключен дополнительным антенным коммутатором 9.
6. Ключи 8.10, 8.11 замкнуты, ключи 8.1-8.9, 9.1, 9.2 разомкнуты - коаксиальная рамочная антенна 10 подключена к третьему входу СУ 6, выход которого подключен ко второму входу сумматора 7, первый выход которого отключен.
В первых четырех режимах работа заявляемого устройства аналогична работе прототипа в режимах 1-4.
В режиме 5 на сумматор 7 поступает сигнал только от последовательно соединенных взаимно перпендикулярных компланарных рамочных антенн 3 и 4, в результате чего обеспечивается круговая ДН:
5
2
2
G(ϕ)=cosϕ+sinϕ=1,
позволяющая осуществлять ненаправленный прием.
4
В режиме 6 к сумматору 7 подключена только коаксиальная рамочная антенна 10, результате чего реализуется диаграмма направленности вида G(ϕ)=sinϕ cosϕ.
4
0,707
Графическое изображение нормированной ДН G(ϕ) приведено на фиг. 4. Такая четырехлепестковая ДН имеет четыре максимума при ϕ=45°, 135°, 225° и 315°, а также четыре нулевых минимума при ϕ=0°, 90°, 180° и 270°. Ширина каждого лепестка ДН составляет θ=Δϕ=45°.
1
0,707
Для сравнения, восьмеричная ДН G(ϕ) 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°.
2
0,707
Кардиоидная ДН G(ϕ) имеет один максимум при ϕ=0° и один минимум при ϕ=180°. Ширина ДН составляет θ=Δϕ=131°.
3
0,707
2
Диаграмма направленности G(ϕ)=cosϕ+cosϕ имеет максимумы: главный - при ϕ=0° и побочные - при ϕ=120°, 240°, а также три нулевых минимума - при ϕ=90°, 180°, 270° (0,125 от величины главного максимума). Ширина главного лепестка ДН составляет θ=Δϕ=75,6°≈76°.
п
с
При ориентировании нуля диаграммы направленности на направление прихода помехи А=0° эффективное ее подавление обеспечивается, если направление прихода сигнала А таково, что он ослабляется в 0,707 раз, то есть азимут прихода сигнала попадает в ширину ДН главного лепестка.
Это условие выполняется:
1
c
п
- для ДН G(ϕ) при ΔА=A-А=45°÷135°;
2
c
п
- для ДН G(ϕ) при ΔA=A-А=65,5°÷294,5°;
3
c
п
- для ДН G(ϕ) при ΔА=A-А=52°÷128°;
4
c
п
- для ДН G(ϕ) при ΔА=A-А=22,5°÷67,5°.
Как видно, новая диаграмма направленности позволяет осуществлять эффективное подавление помехи, когда направления прихода сигнала и помехи отличаются на ΔА=22,5°÷45°, что неспособны обеспечивать другие ДН.
В режиме 6 (так же, как в режимах 3, 4 прототипа и заявляемой полезной модели) 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.
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 приемной антенны в части ненаправленного приема и подавления помех, приходящих с направлений, близких к направлению прихода сигнала.
Обозначение блоков
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.
9. Дополнительный антенный коммутатор.
10. Коаксиальная рамочная антенна.
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.
7. Патент РФ №159082, H01Q 7/00, 2015.