АНТЕННА Р-ДИАПАЗОНА УМЕНЬШЕННЫХ ГАБАРИТОВ

Полезная модель относится к антенно-фидерным устройствам, а именно к антеннам бортовым локаторов беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Результатом технического решения является создание малогабаритной широкополосной планарной антенны Р-диапазона, направленное на уменьшение веса и габаритов антенной системы.
Одним из многочисленных отличий современных радиолокационных станций от их предшественниц является использование независимых антенн, работающих в двух и трех частотных диапазонах со сверхкороткими импульсами (СКИ). Использование многочастотных локаторов позволяет получать больше информации о цели в сравнении с классическими радиолокаторами, при этом рабочие частоты находятся в разных частотных диапазонах [1, 2, 4].
Требование многодиапазонности локационных станций обусловлено тем, что в разных частотных диапазонах качество радиолокационной информации (РЛИ) зависит от вида объектов, их маскировки, погодных условий и т.п. РЛИ в разных частотных диапазонах существенно дополняют друг друга, особенно при решении большого разнообразия военных и хозяйственных задач.
В современных бортовых РЛС, антенные системы по габаритам составляют примерно (20-40)%, а по массе - (15-30)% от массогабаритных параметров бортовой РЛС в целом. Поэтому реализация перспективных технологий создания антенных систем, решающих задачи уменьшения веса и габаритов дает большие возможности по снижению массы и габаритов РЛС в целом. Одной из таких технологий является создание и внедрение планарных конформных антенных систем, вписанных в конструктив летательного аппарата [3].
Наиболее подходящими для этих целей являются планарные или печатные антенны. Планарные антенны, как правило, имеют излучатель квадратной, прямоугольной или круглой формы с размерами близкими к половине длины волны в диэлектрике
где W - ширина излучателя; С - скорость света; f - частота излучения; ε - диэлектрическая проницаемость подложки
эфф
где L - длина излучателя; ε - эффективная диэлектрическая проницаемость подложки.
Из формулы (1) видно, что в Р-диапазоне размеры антенн получаются большими, так на частоте 250 МГц размеры антенн составляют 600×770 мм. Антенны с такими размерами трудно установить на малоразмерные БПЛА.
Известна микрополосковая антенна, реализуемая в патенте на полезную модель №167296, представляющая собой диэлектрическую подложку, выполненную в форме плоского прямоугольного параллелепипеда или диска, с одной стороны которой закреплен металлический экран, а с другой стороны - излучающий элемент в форме прямоугольника с угловыми круговыми вырезами, центры окружностей которых расположены в вершинах прямоугольника. К излучателю подведены два коаксиальных кабеля расположенных симметрично, относительно оси антенны, по которым подаются равные по амплитуде и противоположные по фазе сигналы. Технический результат заключается в возможности приема и передачи радиосигналов в одном диапазоне частот с полосой более 40% или в двух диапазонах частот с полосой более 20% в каждом из диапазонов. В режиме передачи сигнала на каждый коаксиальный кабель, подключенный к излучателю, подается радиосигнал одинаковой амплитуды, но со сдвигом фазы 180 градусов в одном кабеле относительно другого. Недостатком данной конструкции является большие габариты антенны.
Есть конструкция (патент № 2583334). Устройство, реализующее этот способ, включает в себя металлизированную однослойную диэлектрическую подложку формы параллелепипеда с определенной толщиной, на одной плоской стороне которой выполнен излучатель, а на обратной - экран. Излучатель выполнен в виде четырехугольной металлической пластины, примыкающей парой смежных сторон к двум смежным краям подложки. Один торец диэлектрической подложки содержит короткозамыкатель в виде металлической стенки, соединяющей излучатель с экраном. Излучатель содержит точку запитки.
Недостатком данной конструкции является очень узкая рабочая полоса частот (менее 10%), низкий КПД антенны, являющийся результатом низкого активного сопротивления антенны (порядка нескольких Ом) и высокого реактивного сопротивления. Такая антенна имеет большой вес (около 3 килограмм) вследствие применения подложки с большой толщиной и высоким значением диэлектрической проницаемости.
Результатом технического решения является создание малогабаритной широкополосной планарной антенны Р-диапазона, направленным на уменьшение веса и габаритов антенной системы, пригодной для работы со сверхкороткими импульсами, лишенная выше описанных недостатков.
Наиболее близкой по техническому решению к описываемой антенне и взятой за прототип подходит малогабаритная микрополосковая антенна с закорачивающей стенкой, называемая планарная инвертированная (повернутая) F-антенна (PIFA), схема которой, показана в [7].
Конструкция антенны состоит из плоского прямоугольного элемента, расположенного выше по отношению к горизонту плоскости экрана, с закорачивающей пластиной на торце и подводящей снизу через экран линией передачи. С целью увеличения КПД антенны, путем уменьшения реактивного сопротивления, носящего индуктивный характер, в конструкцию антенны введен дополнительный конденсатор, в виде полого цилиндра, установленного на оси запитки. Конструкция предлагаемой полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана 3D-модель антенного модуля, где под цифрой (1) обозначена компенсирующая емкость, под цифрой (2) экран, под цифрой (3) запитывающий элемент, под цифрой (4) показан излучающий элемент, под цифрой (5) короткозамыкатель.
При равенстве W и L резонансный размер описывается следующим выражением
Положение запитывающего элемента на оси антенны и компенсирующего конденсатора подбираются при настройке, между излучающим элементом и цилиндром имеется зазор, величина которого лежит в пределах 0,1÷0,01 h. Диаметр цилиндра - 0,1÷0,02 W.
Установка компенсирующей емкости позволила сделать рабочую полосу частот более 10%, размеры антенны меньше четверти длины волны. Повышение КПД антенны обусловлено более высоким, по сравнению с прототипом, активным сопротивлением (более 50 Ом). Использование воздушного диэлектрика позволило создать конструкцию антенны с минимальным весом и небольшими размерами.
На фиг. 2 показан КСВ-антенны, диаграмма направленности антенны составляет порядка 140 градусов.
Таким образом, предлагаемая полезная модель антенны Р-диапазона уменьшенных габаритов обладает, по сравнению с прототипом, более широкой рабочей полосой частот (более 10%) и высоким КПД. Антенна имеет меньший вес вследствие использования воздушного диэлектрика и уменьшения продольных размеров до четверти длины волны.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Самарин О.Ф., Савостьянов В.Ю., Кудашев В.С., Ровкин М.Е., Алексеев А.С., Русское Д.А., Киселев С.В., Борзов А.Б. Многофункциональная интегрированная двух диапазонная радиолокационная система для летательных аппаратов // Патент на изобретение: ФГБОУ ВО МГТУ им. Н.Э. Баумана, АО «НПФ «Микран». №2621714 от 01.06.2016 г.
2. Ильин Е.М., Полубехин А.И., Кривов Ю.Н. Многофункциональный бортовой радиолокационный комплекс // Патент на изобретение: ФГБОУ ВО МГТУ им. Н.Э. Баумана, №2670980 от 26.10.2018.
3. Е.М. Ильин, Ю.Н. Кривов, А.И. Полубехин, А.Н. Кренев, А.Г. Черевко Вестник СибГУТИ. №3 (43) 2018. Многофункциональный бортовой РЛК с конформной антенной системой для беспилотных летательных аппаратов малой дальности.
4. Банков С.Е., Антенны спутниковых навигаторов. - М.: Издательство «Перо», 2014. - 693 с.
5. Бочаров B.C., Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Микрополосковая антенна метрового диапазона с круговой поляризацией // патент на полезную модель №152427.
6. Бочаров B.C., Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Способ создания микрополосковых антенн метрового диапазона и устройство, реализующее этот способ // Патент на изобретение №2583334.
7. В. Слюсар, Антенны PIFA для мобильных средств связи. Многообразие конструкций. Электроника: наука, технология, бизнес 2007. - №1. - С. 64-74.