КАРДИОИДНАЯ АНТЕННА ДЛЯ ПОДВОДНОГО РАДИОПРИЕМА
CARDIOID ANTENNA FOR UNDERWATER RADIO RECEPTION

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве приемной антенны радиосвязи в диапазоне очень низких частот (ОНЧ - 3-30 кГц) на подводных объектах в условиях действия сосредоточенных по спектру помех.
Такие помехи могут создавать радиостанции ОНЧ диапазона, размещенные на территориях стран США, Англии, Норвегии, Франции и ряда других государств - всего более двадцати.
По размещению, количеству и энергетическому потенциалу такие станции в ряде районов обладают преимуществами по отношению к аналогичным отечественным объектам [5]. В таких условиях для приема электромагнитных колебаний на подводных объектах можно использовать антенны с кардиоидной диаграммой направленности. При этом минимум кардиоиды выводится на направление прихода помехи, в результате чего происходит ее существенное ослабление. Полезный сигнал принимается с другого направления и ослабляется незначительно, чем и достигается пространственная селекция.
Известны антенны [1, 6, 7], в которых для формирования кардиоидной диаграммы направленности приема сигналов применяют одну ненаправленную (штыревую) и две взаимно ортогональные направленные (рамочные) антенны.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является антенное устройство с кардиоидной диаграммой направленности [1, с.288, фиг.155], содержащее две взаимно ортогональные рамки, подключенные через гониометр (может быть эквивалентно заменен электронным устройством вращения диаграммы направленности [4]) к первому входу суммирующего устройства (сумматора), выход которого является выходом устройства, а ко второму входу сумматора подключена через согласующее устройство штыревая антенна. Это устройство принято заявителем за прототип.
Недостатками прототипа являются:
- проводники антенны не изолированы от внешней среды, что делает невозможным ее использование в проводящей среде (морской воде);
- низкая скрытность подводных объектов при радиоприеме (даже при обеспечении надежной изоляции), поскольку штыревую антенну необходимо выдвигать за пределы водной среды, в результате чего она может быть обнаружена визуальными и радиолокационными средствами;
- при действии подводного объекта подо льдом использование штыревой антенны в принципе невозможно.
Цель изобретения - повышение скрытности подводных объектов при кардиоидном радиоприеме в ОНЧ диапазоне.
Поставленная цель достигается тем, что в прототипе штыревая антенна заменяется на другую антенну, состоящую из двух идентичных рамочных антенн, каждая из которых представляет собой две разнесенные по горизонтали, противофазно включенные компланарные (лежащие в одной плоскости) рамки [3, с.258, рис.6-4 а и в], причем плоскости, в которых расположены рамочные антенны, взаимно перпендикулярны, а плоскость, проходящая через центры всех четырех рамок, параллельна поверхности воды.
Заявляемое устройство (см. фиг.1) содержит рамочные антенны 1 и 2, компланарные рамочные антенны 3 и 4, гониометр (устройство вращения диаграммы направленности - УВДН) 5, согласующее устройство 6 и сумматор 7. При этом рамочные антенны 1 и 2 подключены к первому и второму входу гониометра, выход которого соединен с первым входом сумматора. Компланарные рамочные антенны 3 и 4 соединены последовательно, а их выход подключен к входу согласующего устройства, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого является выходом устройства. Все входы и выходы заявляемого изобретения - симметричны.
Для описания работы устройства рассмотрим сначала работу одиночной прямоугольной рамки, погруженной в морскую воду на глубину Z и расположенной в вертикальной плоскости, причем ее верхний провод размещен горизонтально относительно поверхности воды, а направление распространения электромагнитной волны в воздухе составляет угол φ с плоскостью рамки.
B
B
В соответствии с [2, с.51, 135, 165], если в точке приема в воздухе действует электромагнитное поле сигнала с вертикальной поляризацией электрической составляющей E=Esinωt (E - амплитуда вертикальной электрической составляющей напряженности поля), то э.д.с, наводимая в рамке, погруженной в морскую воду, будет определяться выражением:
<mrow><mi>ε</mi><mo>=</mo><msub><mi>Е</mi><mi>Г</mi></msub><msub><mi>l</mi><mi>Д</mi></msub><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi><mi>cos</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
где cosφ=G(φ) - поляризационная характеристика (диаграмма направленности) элементарной рамки в морской воде;
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>Г</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mi>B</mi></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><mn>60</mn><mi>σ</mi><msub><mi>λ</mi><mi>Г</mi></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mi>exp</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>Z</mi><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>30</mn><mi>σ</mi></mrow><mrow><msub><mi>λ</mi><mi>Г</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
- напряженность горизонтальной электрической составляющей электромагнитного поля сигнала в морской воде на глубине Z в точке приема;
σ - удельная электрическая проводимость морской воды;
<mrow><msub><mi>λ</mi><mi>Г</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mn>30</mn><mi>σ</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
- длина волны в морской воде;
0
λ - длина волны в воздухе;
<mrow><msub><mi>l</mi><mi>Д</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mn>2</mn></msqrt><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>n</mi><mi>S</mi></mrow><mrow><msub><mi>λ</mi><mi>Г</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msqrt><mn>2</mn></msqrt><mi>β</mi><mi>n</mi><mi>a</mi><mi>b</mi></mrow>
- действующая длина рамки;
n - количество витков рамки;
S - площадь рамки;
a
, b - длины горизонтальной и вертикальной сторон рамки соответственно;
Г
β=2π/λ - коэффициент затухания в морской воде;
ω - угловая частота.
С учетом вышеизложенного, (1) можно переписать в виде:
<mrow><mi>ε</mi><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mi>Г</mi></msub><msqrt><mn>2</mn></msqrt><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>n</mi><mi>S</mi></mrow><mrow><msub><mi>λ</mi><mi>Г</mi></msub></mrow></mfrac><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi><mi>cos</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mtext> </mtext><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Аналогичные соотношения имеют место и для круглой рамки, если площадь ее витка одинакова с прямоугольной.
Таким образом, поляризационная характеристика элементарной рамки, погруженной в морскую воду, идентична диаграмме направленности аналогичной рамки в воздухе, причем наводимые э.д.с. на границе раздела сред воздух-вода будут одинаковы [2, с.166].
Рассмотрим теперь работу антенн 3 и 4 в морской воде.
1
2
0
<mrow><mfrac><mrow><mi>k</mi><mi>d</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi></mrow>
Поскольку каждая антенна состоит из двух рамок, то наведенная э.д.с. в одной рамке ε будет опережать, а в другой (ε) - отставать по фазе относительно оси симметрии на угол
(k=2π/λ; d - расстояние между центрами рамок), что обусловлено разностью хода волн в воздухе. Так как рамки включены встречно, результирующая э.д.с. определится выражением:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>ε</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>ε</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ε</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mi>Г</mi></msub><msub><mi>l</mi><mi>Д</mi></msub><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>k</mi><mi>d</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>E</mi><mi>Г</mi></msub><msub><mi>l</mi><mi>Д</mi></msub><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>k</mi><mi>d</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>2</mn><msub><mi>E</mi><mi>Г</mi></msub><msub><mi>l</mi><mi>Д</mi></msub><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>k</mi><mi>d</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mtext> </mtext><mo>.</mo></mtd></mtr></mtable>
<mrow><mi>k</mi><mi>d</mi><mo><</mo><mo><</mo><mn>1</mn><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>k</mi><mi>d</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≈</mo><mfrac><mrow><mi>k</mi><mi>d</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi></mrow>
При условии
, поэтому можно записать:
<mrow><msub><mi>ε</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>Е</mi><mi>Г</mi></msub><msub><mi>l</mi><mi>Д</mi></msub><mi>k</mi><mi>d</mi><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>ϕ</mi><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
2
<mrow><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ϕ</mi><mo>+</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>ϕ</mi></mrow>
Таким образом, поляризационная характеристика одной антенны (например, антенны 3) G(φ)=cosφ [3, с.259]. Очевидно, что в антенне 4 будет наводиться э.д.с, пропорциональная
. При последовательном соединении антенн результирующая э.д.с. определится выражением:
<mrow><msub><mi>ε</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mi>Г</mi></msub><msub><mi>l</mi><mi>Д</mi></msub><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>ϕ</mi><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>E</mi><mi>Г</mi></msub><msub><mi>l</mi><mi>Д</mi></msub><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>ϕ</mi><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mi>Г</mi></msub><msub><mi>l</mi><mi>Д</mi></msub><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>ϕ</mi><mo>+</mo><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mi>Г</mi></msub><msub><mi>l</mi><mi>Д</mi></msub><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
2
поэтому суммарная поляризационная характеристика антенн 3 и 4 - G(φ)=1 и фаза сигнала на ее выходе не зависят от направления приема в горизонтальной плоскости так же как и у вертикальной штыревой антенны в воздухе [1, с.150, 277].
Заявляемое устройство работает следующим образом.
1
Г
Д
2
Г
Д
ВД
Г
Д
0
Электромагнитная волна, проходя через границу раздела сред воздух-вода, наводит в антеннах 1 и 2 э.д.с: ε=Еlсоsφcosωt; ε=Еlsinφcosωt, которые поступают на первый и второй входы устройства вращения диаграммы направленности 5, э.д.с на выходе (первом входе сумматора 7) которого определяется выражением ε=Еlcos(φ-φ')cosωt, где φ′ - фазовый угол, вносимый УВДН для вращения диаграммы направленности [1, с.286-287]. Одновременно, наведенная э.д.с, определяемая выражением (4), с выхода последовательно соединенных антенн 3 и 4 поступает на вход согласующего устройства 6, осуществляющего поворот фазы сигнала на 90 и увеличивающего его амплитуду до величины U, равной амплитуде сигнала на первом входе сумматора 7, так что э.д.с. на первом и втором входе сумматора становятся одинаковыми по амплитуде и фазе. В сумматоре 7 осуществляется сложение э.д.с, поступающих на его первый и второй входы. В результате э.д.с. на выходе сумматора 7 определяется выражением:
<mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ϕ</mi><mo>−</mo><mi>ϕ</mi><mo>'</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ϕ</mi><mo>−</mo><mi>ϕ</mi><mo>'</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
откуда G(φ,φ′)=1+cos(φ-φ′) - уравнение кардиоиды, вращаемой изменением фазового угла φ′.
Конструктивно согласующее устройство 6 и УВДН 5 могут быть выполнены аналогично прототипу.
Применение в кардиоидной антенне последовательно соединенных взаимно перпендикулярных рамочных антенн, каждая из которых состоит из двух разнесенных по горизонтали противофазных компланарных рамок, выгодно отличает предлагаемое техническое решение от прототипа, создает новый положительный эффект, который состоит в значительном увеличении скрытности подводных объектов и, в конечном счете, повышает эффективность управления ими при действии сосредоточенных по спектру помех.
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. Изделие Р-684 УС. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ШЕИА. 468151.003 ТО. 1995. С.21-23.
5. Пирумов В.С., Червинский Р.А. Радиоэлектроника в войне на море. - М.: Воениздат, 1987. - 176 с.
6. Патент РФ №2025841, H01Q 3/36, 1994.
7. Патент РФ №2130220, H01Q 21/29, 1996.