АНТЕННАЯ СИСТЕМА НАВИГАЦИОННОГО ПРИЕМНИКА АЭРОЛОГИЧЕСКОГО РАДИОЗОНДА
ANTENNA SYSTEM FOR NAVIGATION RECEIVER OF AEROLOGICAL RADIOSONDE

Изобретение относится к электронной технике, к антенным системам и может быть использовано в аэрологических радиозондах (АРЗ) для приема навигационных сигналов спутниковых навигационных систем типа GPS/ГЛОННАС и др.
Известен приемник навигационных сигналов GPS, который имеет антенну с круговой поляризацией, см. Ю.А. Соловьев "Спутниковая навигация и ее приложения" ЭКО-ТРЕНДЗ, М., 2003 г., стр. 116.
Этот приемник предназначен для работы в жестких динамических условиях движения артиллерийских снарядов и ракет высокоточного оружия. Фирмы Rockwell-Collins. Приемник работает в условиях после перегрузки 15000д при вращении с частотой до 260 Гц.
Недостатки приемника (следовательно и антенны):
- применим для тяжелых снарядов калибра 12-15* дюймов (вес несколько сотен кг) и управляемых авиабомб, а также ракет средней дальности (все они весом не одну тонну). Отсюда этот приемник с антенной весит до 10 кг. Видно, что для АРЗ это, конечно, не подходит;
- стоимость такого приемника составляет порядка 10000$, а стоимость одного АРЗ составляет порядка 25-30$, в год же только в России АРЗ запускается ~500000 шт.
Также проблемой приема навигационных сигналов является "болтанка" АРЗ при сильных порывах ветра в верхних слоях атмосферы (до ±360°) и при турбулентности ветровых потоков, что может привести к ошибкам определения координат АРЗ. Поэтому предъявляются повышенные требования к антеннам приемников навигационных сигналов.
Обычно в навигационных приемниках используются либо внешние, либо внутренние керамические пластины. Эти антенны хорошо проявили себя при установке на автомобилях, судах по крену, но в условиях применения в АРЗ их технические характеристики оставляют желать лучшего.
Из существующего уровня техники известна Circularly polarized dipole antenna US 3196443 А, представляющая антенну, содержащую две пары взаимно перпендикулярных диполей из цилиндрических проводников, лежащих в одной плоскости, симметрирующее устройство в виде короткозамкнутого стакана, которая способна излучать и принимать поле круговой поляризации.
Недостатками описанного устройства являются:
- сложность конструкции;
- высокий коэффициент эллиптичности поляризации излучаемого поля на малых углах места.
Известна Circularly polarized cross dipole antenna US 6163306 А. Антенна содержит два L-образных элемента и двухпроводную линию питания, выполненные на печатной плате, расположенной над проводящим экраном. L-образные элементы расположены так, что образуют два перекрещенных диполя, линия питания соединяет диполи и симметрирующее устройство, выполненное на другой печатной плате. Антенна, которая способна излучать и принимать поле круговой поляризации.
Недостатком описанной антенны является:
- высокий коэффициент эллиптичности поляризации излучаемого поля на малых углах места.
В качестве прототипа рассмотрим Circularly polarized cross dipole antenna US 6271800 B1, которая содержит рефлектор в виде пластины, два перекрещенных диполя на основе четырех V-образных цилиндрических проводников, коаксиальную линию питания, симметрирующее устройство. V-элементы образуют две пары, каждая пара лежит в одной плоскости, перпендикулярной плоскости другой пары, плоскости пар при этом перпендикулярны рефлектору. Внутри пар V-элементы расположены так, что одно плечо каждого V-элемента параллельно одному плечу другого V-элемента, и свободный конец этого плеча соединен с рефлектором. Два параллельных плеча одной пары образуют симметрирующее устройство в виде короткозамкнутого мостика, в одном из плеч которого проложена коаксиальная линия, питающая диполь, образованный этой парой. Недостатком описанного устройства является:
- сложность конструкции;
- низкая технологичность.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения навигационных параметров АРЗ в жестких динамических условиях полета: болтанка, турбулентность, большие ветровые порывы разного знака и пр., а также повышение помехоустойчивости при подъеме АРЗ из-за излучения различных наземных источников.
Технический результат достигается за счет применения однокального приемника навигационных сигналов GPS/ГЛОНАСС и применения оригинальной вибраторной антенны с круговой поляризацией, т.е. по X и Y ординатам.
Для решения поставленной задачи предлагается антенная система навигационного приемника аэрологического радиозонда, содержащая дипольную систему, образованную из двух пар перевернутых V-образных дипольных элементов, лежащих в перпендикулярных плоскостях, причем каждый диполь выполнен в виде двух вибраторов, симметрирующее устройство в виде короткозамкнутого мостика, линия питания - микрополосковая, а все элементы выполнены на двух печатных платах, которые расположены на общем основании с фильтром, собственно навигационным приемником GPS/ГЛОНАСС и драйвером с USB-интерфейсом.
На фиг. 1 предоставлены два общих вида антенны в изометрии, где
1, 2, 5, 7 - плечи диполей;
3, 4, 14 - точки электрического контакта;
6 - Г-образный проводник;
8, 9, 16, 17 - проводники симметрирующего устройства;
10, 11, 12, 13 - плечи рефлекторов;
15 - выход антенны.
На фиг. 2 предоставлена антенна в сборе на общей печатной плате с навигационным приемником. Антенна состоит из двух диэлектрических пластин (на фигуре условно не показаны), которые лежат в плоскости XOZ и YOZ и пересекают друг друга. На первой пластине, в плоскости XOZ, расположены диполь, образованный плечами 2 и 5, проводники 8 и 16 симметрирующего устройства (на фигуре условно не выделено), рефлектор, образованный плечами 11 и 12, соединенными между собой в точке 14, при этом рефлектор перпендикулярен проводникам 8 и 16 и имеет с ними электрический контакт примерно в собственном центре. Плечи диполя 2 и 5 ортогональны друг другу и расположены под углом к проводникам 8 и 16, при этом плечо 2 и проводник 8 контактируют в точке 3, а плечо 5 и проводник 16 контактируют в точке 4. На второй пластине, в плоскости, параллельной YOZ, расположены диполь, образованный плечами 1 и 7, Г-образный проводник 6, проводники 9 и 17 симметрирующего устройства (на фигуре условно не выделено), рефлектор, образованный плечами 10 и 13, соединенными между собой в точке 14, при этом рефлектор перпендикулярен проводникам 9 и 17 и имеет с ними электрический контакт примерно в собственном центре. Плечи диполя 1 и 7 ортогональны друг другу и расположены под углом к проводникам 9 и 17, при этом плечо 1 и проводник 17 контактируют в точке 3, а плечо 7 и проводник 9 контактируют в точке 4. Г-образный проводник 6 расположен в районе проводника 9, на противоположной стороне второй пластины, так что образует с проводником 9 и частью проводника 13 несимметричную полосковую линию передачи, один конец которой является выходом антенны 15. Конец Г-образного проводника, противоположный входу 15, подключен к точке 3.
ср
ср
Размеры обоих рефлекторов составляют (0,52÷0,55)*λ без учета коэффициента укорочения за счет торцевого эффекта и влияния диэлектрической проницаемости материала пластин. Сумма длин плеч диполей такова, что резонансная частота одного диполя выше средней частоты рабочего диапазона, а резонансная частота другого ниже. Длина проводников 8, 9, 16, 17 составляет не более 0,25*λ.
Антенна в середине рабочего диапазона работает следующим образом.
Электромагнитная волна с круговой поляризацией, которую можно представить как сумму двух волн с линейными поляризациями, ортогональными друг другу и сдвинутыми по фазе на 90°, падает на антенну, при этом каждый диполь принимает соответствующую линейно поляризованную составляющую падающей волны, а каждый рефлектор отражает. Применение рефлекторов позволяет получить преимущественно односторонний прием поля антенной. Благодаря тому что один из диполей имеет резонансную частоту, большую, чем средняя частота работы антенны, а другой меньшую, задержка по фазе между токами, наведенными на плечи диполей, нивелируется в точках 3 и 4, и электромагнитная энергия от ортогональных диполей складывается синфазно. Через полосковую линию передачи симметрирующего устройства, представляющего собой короткозамкнутый мостик, от контактов 3-4 энергия попадает на выход антенны 15. Расположение плеч диполей под острым углом к соответствующим проводникам симметрирующего устройства позволяет улучшить коэффициент эллиптичности антенны на низких углах места.
С целью повышения технологичности антенны плечи диполей, проводники симметрирующего устройства, Г-образный проводник, рефлекторы выполнены по технологии печатных плат. Антенна конструктивно состоит из двух печатных плат, соединенных между собой пазами с последующей пайкой в точках 3, 4, 14.