Синфазная прямолинейная штыревая УКВ антенная решётка
COMMON-MODE STRAIGHT-LINE VHF PIN ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к антенной технике и предназначено преимущественно для самоходных (мобильных, передвижных) приемопередающих радиосредств метрового диапазона длин волн. Развитие штыревых антенн идет по двум направлениям: включение в антенну спиральной пружинной вставки (например: заявка Франции N 2252666, 1975 г.), использовалось для самоходных приемопередающих радиосредств, и изготовление штыря в виде гибкого конструктивного элемента (заявка ФРГ N 3919884; заявки Франции N 2711277 и N 2604631; патент США N 4435713), использовалось в носимых приемопередающих радиосредствах. Наличие в конфигурации антенны пружины приводит к уменьшению излучающей длины антенны, что снижает ее эффективность, а при механическом движении (колебании) антенны происходит изменение ее резонансной частоты. Антенны, имеющие спиральную пружинную вставку получили большее распространение в самоходных приемопередающих радиосредствах. При установке штыревых антенн на мобильных средствах радиосвязи возникла необходимость разработки гибких штыревых антенн, как травмобезопасных и механически более надежных в эксплуатации. Среди антенн, имеющих спиральную пружинную вставку по конструктивным особенностям и решаемым задачам ближе всего к предлагаемой антенне подходит штыревая антенная по патенту Франции N 2252666, 1975 г., которая принята за прототип. Эти антенны, с точки зрения электрических параметров, характеризуются:
- использованием в KB и УКВ диапазонах длин волн;
- широкой диаграммой направленности в угломестной плоскости (середина ДНА составляет около 30°);
- большим зенитным углом (≥15°);
- низким значением коэффициента усиления (КУ) в диапазоне рабочих частот КУ=(0,03…0,05) [1];
- отсутствие направленных свойств (равномерное распределение) ДНА в горизонтальной плоскости;
- одинаковые основные характеристики на передачу и прием [2]: коэффициент усиления для основного вида поляризации (вертикальной); коэффициент стоячей волны (КСВ); угол максимума диаграммы направленности антенны (ДНА) в вертикальной плоскости; характеристика направленного действия антенны.
Такие характеристики приводят к необходимости увеличивать выходную мощность радиосредств.
Другим недостатком этого класса антенн является зависимость характеристик антенн от электрофизических параметров почвы, приводящая к отражению электромагнитной волны вверх и увеличению тем самым зенитного угла.
Наиболее близкой к изобретению по технической конструкции и техническому результату является штыревая антенна типа АШ-4, производства АО «Сарапульский радиозавод» [3].
Конструктивно антенна АШ-4 [3] представляет собой несимметричный полуволновый вибратор 1 (фиг. 1) длиной около 4 метров, имеющий в основании пружину 2, соединенную с корпусом самохода диэлектрической вставкой 3. В основании пружины антенны имеется точка питания от источника ВЧ-энергии 4 (приемопередатчика). Для защиты от коррозии пружина 2 помещена в резиновый чехол. Для защиты от поражения электрическим током, при случайном касании нижняя часть полуволнового вибратора 1 покрыта пластиковой оболочкой.
Техническим результатом является повышение эффективности излучения вдоль земли мобильной приемопередающей антенны метрового диапазона длин волн, что повышает электромагнитную совместимость радиотехнических устройств и эффективность противодействия техническим средствам обнаружения при сохранении ее радиотехнических характеристик в ультракоротковолновом диапазоне длин волн и приводит к расширению функциональных возможностей штыревой антенны.
Для анализа основных параметров приведенного выше устройства была разработана электродинамическая модель. По причине простоты устройства антенны АШ-4 для анализа была выбрана программа MMANA-GAL-basic [4], позволяющая смоделировать эту антенну. Результаты электродинамического моделирования подтвердили выводы [1] для прототипа и показаны на фиг. 2.
На фиг. 2 показан скриншот результатов моделирования антенны АШ-4 с четырьмя соединенными коленами (размеры указаны в правом нижнем углу), запитана антенна через пружину, частота ВЧ колебаний лежит в диапазоне 30…80 МГц (рабочий диапазон частот радиостанций с которыми поставляется прототип). На скриншотах (фиг. 2 и фиг. 4) для наглядности показаны результаты моделирования для частот: 30 МГц; 42,5 МГц; 55 МГц; 67,5 МГц и 80 МГц. Материал и диаметр антенны выбраны: диполь - алюминий диаметром 10 мм, пружина - сталь диаметром 3 мм. Высота питания антенны выбрана для случая установки ее на самоходном шасси -2 м. В качестве подстилающей поверхности выбрана реальная земля. Диаграммы направленностей модели антенны показаны в горизонтальной и вертикальной плоскостях, при питании антенны ВЧ-током на разных частотах. Также приведены некоторые основные характеристики: коэффициент усиления Ga, для основного вида поляризации (вертикальной), коэффициент стоячей волны (КСВ) и угол максимума диаграммы направленности антенны (ДНА) в вертикальной плоскости.
Анализ результатов моделирования штатной антенны АШ-4 показал, что возбуждаемая электро-магнитная волна имеет комплексный характер. Это связано с возбуждением ВЧ поля пружиной, излучающей поле с вертикальной и горизонтальной поляризацией. В столбце «F/В» таблицы фиг. 2 показаны значения, характеризующие направленные свойства исследуемой антенны, для различных значений питающих частот, в горизонтальной плоскости, что подтверждается формами графиков ДНА в левой части фиг. 2.
Вертикальное сечение ДНА (правая верхняя часть фигуры 2) по форме близка к косекансной. Ширина ДНА в вертикальной плоскости составляет около 50°…60° по уровню 0,707, что явно избыточно для подавляющего большинства случаев, так как УКВ-радиостанции, использующие антенну АШ-4, предназначены для связи с наземными объектами. Коэффициент усиления (Ga) составляет - 1,2…6,1 дБ, коэффициент стоящей волны -10000…20000. Ярко выраженный главный максимум имеет зенитный угол, лежащий в диапазоне 30°…70°, в зависимости от частоты питающего антенну тока. Таким образом, штатная антенна, как устройство излучения ВЧ-волны, является неоптимальной по следующим критериям:
энергия электромагнитной волны в верхней части «крыла бабочки», с одной стороны, является источником информации для средств радиотехнической разведки, а, с другой стороны, не используется для покрытия зоны связи в необходимом направлении - вдоль плоскости горизонта, что является одной из причин низкого коэффициента усиления антенны;
округлая форма ДНА вдоль плоскости горизонта не обеспечивает покрытие зоны связи из-за переотражения части электромагнитной волны от поверхности земли и синфазного сложения с основной волной в направлении зенитного угла.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности излучения вдоль земли мобильной приемопередающей антенны путем уменьшения зенитного угла и ширины ДНА в горизонтальной плоскости без значительного изменения размеров и формы антенны, и, без ухудшения их радиотехнических параметров.
Для формирования более узких диаграмм направленности и получения больших КНД, чем у различных видов вибраторных антенн, слабонаправленные излучатели объединяются в систему, называемую антенной решеткой.
Предлагаемая в заявке на изобретение синфазная прямолинейная штыревая УКВ антенная решетка работает следующим образом (фиг. 3).
Синфазная прямолинейная штыревая УКВ антенная решетка содержит основание антенны 1, механически соединенное с антенной, имеющей высоту λmах/2, где λmах - максимальная длина волны диапазона работы приемопередающего радиосредства и состоит из делителя мощности 2, подключаемого к приемо-передатчику 3, четырех диполей равной длины 4 (λmах/8), расположенных последовательно и эквидистантно на одной оси, каждый из которых имеет в основании диэлектрический переходник 5, соединяемый с предыдущим диполем, при этом первый диполь крепится к основанию антенны. Каждый диполь имеет в основании точку питания 6. Основание антенны может устанавливаться на любую опорную поверхность, как в виде пружины в самоходном варианте, так и на жесткую поверхность в стационарном варианте, например, при использовании мачтового устройства, что придает антенной решетке свойство универсальности. Раздельное синфазное и равноамплитудное питание каждого диполя штыревой антенной решетки обеспечивается делителем мощности, при работе на передачу. При работе на прием, сложение мощностей от диполей осуществляется сумматором.
Большие направленные свойства при этом достигаются за счет того, что в нужном направлении (вдоль земной поверхности) поля всех излучателей суммируются синфазно, а в других направлениях несинфазно. В отличие от питания прототипа, питание к диполям подводится не через спиральную пружинную вставку, а в обход последней через делитель (сумматор) мощности. Таким образом, из-за существенного преобладания вертикальной плоскости поляризации электромагнитной волны, формируется поперечное излучение, позволяющее реализовать равномерную ДНА в горизонтальной плоскости. Скриншот результатов электродинамического моделирования синфазной прямолинейной штыревой УКВ антенной решетки представлен на фиг.4.
Ярко выраженный главный максимум имеет зенитный угол, составляющий около 10°. Ширина диаграммы направленности антенны составляет около 20°. Кроме того, отсутствие в цепи питания элементов антенной решетки спиральной пружинной вставки позволило значительно уменьшить комплексную составляющую сопротивления.