Бортовая антенна для беспилотного летательного аппарата
ON-BOARD ANTENNA FOR UNMANNED AERIAL VEHICLE

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к антенным устройствам сантиметрового диапазона радиоволн.
В настоящее время сложились основные требования к бортовым антеннам малых беспилотных летательных аппаратов (БЛА):
обеспечение кругового обзора и максимальной направленности в горизонтальном направлении;
диапазон рабочих частот 2300-2500 (2700, 2900) МГц;
вертикальная поляризация;
должна иметь низкий профиль и малое аэродинамическое сопротивление.
Кроме того, по опыту эксплуатации БЛА, коэффициент усиления (КУ) антенны должен составлять 6-8 дБ. Возможно наилучшим решением стало бы применение коллинеарных антенн (см., например, Пат РФ №2498466, МПК H01Q 9/20, опубл. 10.11.2013). Однако для достижения КУ в 6 дБ их высота составляет 240 мм, что затрудняет их использование на БЛА.
Одним из направлений реализации названных требований является использование совокупности из 4-5 направленных низкопрофильных переключаемых на борту БЛА антенн. В этом случае на каждую антенну отводят пространственный сектор по азимуту ~90°.
Анализ известных технических решений показывает целесообразность использования нескольких типов несимметричных антенн с вертикальной поляризацией. В их число входят «волновой канал» в несимметричном исполнении (см. Вычислительные методы в электродинамике. Под ред. Р. Митры / Пер. с англ. Бурнштейна Э.Л. - М.: Мир, 1977. - 485 с.), несимметричная логопериодическая антенна (см. Сверхширокополосные антенны. Под ред. Бененсон Л.С./ Пер. с англ. Попова С.В. и Журавлева В.А. - М.: Мир, 1964. - 416 с.), изготавливаемые на металлических площадках ограниченных размеров. Могут найти применение и антенны на основе отрезков коаксиальных линий и многовитковые петлевые антенны над проводящей плоскостью (см. Вычислительные методы в электродинамике. Под ред. Р. Митры. / Пер. с англ. Бурнштейна Э.Л. - М.: Мир, 1977. - 485 с.). По диапазонным свойствам все названные аналоги в основном удовлетворяют поставленным требованиям, однако с точки зрения удобства монтажа значительно выигрывает антенна «волновой канал». Для ее монтажа необходима только одна неизолированная точка (узел питания активного вибратора).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой является бортовая антенна транспортного средства (см. Пат. РФ №2071158, МПК H01Q 19/30, опубл. 27.12.1996). Она содержит несимметричные вертикальные активный вибратор, рефлектор и директор, установленные в металлическую планку с возможностью регулирования их взаимного положения, а планка жестко закреплена на крыше транспортного средства и имеет электрический контакт с крышей транспортного средства.
Прототип обеспечивает снижение угла отклонения направленности главного лепестка диаграммы направленности (ДН) относительно горизонтальной плоскости, и, следовательно, увеличение дальности устойчивой радиосвязи. Положительный эффект в прототипе достигают путем увеличения площади металлической планки за счет использования в качестве последней крыши транспортного средства.
Выполненное с помощью программы ANSYS HFSS моделирование антенны-прототипа позволило сделать следующие выводы. Максимальное значение коэффициента усиления равномерно растет с увеличением продольного размера проводящей подстилающей поверхности  и достигает насыщения при  Увеличение значения  в названных пределах приводит к «прижатию» главного лепестка диаграммы направленности в вертикальной плоскости (плоскости Е). Ширина ДН по уровню 3 дБ в 90° достигается при длине подстилающей поверхности 180-200 мм.
Корпус малых БЛА состоит из целого ряда элементов как металлических, так и диэлектрических, а их суммарные размеры незначительны (менее 1 метра). В этих условиях разрабатываемая антенна должна сохранять свои характеристики независимо от места ее установки. Поэтому металлическая подложка такой антенны, обеспечивающая снижение угла отклонения направленности главного лепестка ДН относительно горизонтальной плоскости, должна иметь возможно минимальные размеры.
Целью заявляемого технического решения является разработка бортовой антенны для БЛА, обеспечивающей увеличение дальности радиосвязи в условиях ограничений размеров проводящей подстилающей поверхности.
Поставленная цель достигается тем, что в известной антенне, содержащей вертикальные, последовательно и линейно расположенные на основной металлической пластине рефлектор, активный вибратор и директор, основную металлическую пластину устанавливают на пьедестале высотой 0,16 λ в верхней части фюзеляжа БЛА, где λ - длина волны радиосигнала, металлическое основание пьедестала жестко соединяют с металлической поверхностью БЛА и обеспечивают электрический контакт, основную металлическую пластину дополняют направителем в виде наклоненной вниз под углом 55° металлической пластины, задние кромки которой жестко соединяют с передними кромками основной металлической пластины и обеспечивают электрический контакт, а переднюю кромку основания пьедестала жестко соединяют с передней кромкой металлической пластины направителя и обеспечивают электрический контакт.
При этом в качестве активного вибратора используют несимметричный одношлейфный вибратор. Длина металлической пластины направителя составляет 0,2 λ. В предлагаемой антенне используют пять или шесть директоров. Ширина основной металлической пластины и направителя составляет 0,6 λ. Следует отметить, что основание пьедестала может быть выполнено из диэлектрика, имеющего жесткое соединение с передней кромкой металлической пластины направителя и верхней частью фюзеляжа БЛА.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что используют пьедестал специальной формы с направителем в форме клина, использовании в качестве активного элемента несимметричного одношлейфного вибратора, дополнительных директоров, позволяет решить поставленную задачу: обеспечить увеличение дальности радиосвязи БЛА.
Указанное преимущество и особенности реализации предлагаемой бортовой антенны БЛА поясняются чертежами, на которых:
фиг. 1 - внешний вид предлагаемой антенны;
фиг. 2 - габаритные размеры антенны для диапазона радиоволн 2,3-2,5 ГГц;
фиг. 3 - значение коэффициента стоячей волны антенны в диапазоне 2,3-2,7 ГГц для различных вариантов ее исполнения;
фиг. 4 - значение коэффициента усиления антенны в диапазоне 2,3-2,7 ГГц для различных вариантов ее исполнения;
фиг. 5 - ширина ДН по уровню - 3 дБ в горизонтальной плоскости (плоскость Н) для различных вариантов ее исполнения;
фиг. 6 - ширина ДН по уровню - 3 дБ в вертикальной плоскости (плоскости Е) для различных вариантов ее исполнения;
фиг. 7 - анализируемые варианты подстилающей поверхности;
фиг. 8 - внешний вид 5-элементной антенной решетки.
Бортовая антенна БЛА (см. фиг. 1-6) содержит вертикальные, последовательно и линейно расположенные на основной металлической пластине 9 рефлектор 7, несимметричный одношлейфный вибратор 6, и пять директоров 1, 2, …, 5 соответственно, основную металлическую пластину 9 устанавливают на пьедестале 10 высотой 0,16 λ в верхней части фюзеляжа БЛА, металлическое основание 11 пьедестала 10 жестко соединяют с металлической поверхностью БЛА и обеспечивают электрический контакт, основную металлическую пластину 9 дополняют направителем 8 в виде наклоненной вниз под углом 55° металлической пластины, задние кромки которой жестко соединяют с передними кромками основной металлической пластины 9 и обеспечивают электрический контакт, а переднюю кромку металлического основания 11 пьедестала 10 жестко соединяют с передней кромкой металлической пластины направителя 8 и обеспечивают электрический контакт.
Длина металлической пластины направителя 8 составляет 0,2 λ (см. Н.Т. Бова, Г.Б. Резников. Антенные устройства СВЧ. Изд. второе перераб. - К.: Высшая школа, 1982. - 278 с.). Ширина основной металлической пластины 9 и металлической пластины направителя 8 составляет 0,6 λ. Длина основной металлической пластины 9 равняется 0,8 λ, а длина металлического основания 11 пьедестала 10-0,9 λ.
Высота рефлектора 7 составляет 0,29 λ, который устанавливают на удалении 0,14 λ от заданной кромки основной металлической пластины 9.
Несимметричный одношлейфный вибратор 6 имеет П-образную форму высотой 0,24 λ, располагают на удалении 0,06 λ от рефлектора 7. Ширина элементов вибратора 6 составляет 0,02 λ, одно (переднее) его основание запитано через высокочастотный разъем 12.
Все пять директоров 1-5 имеют одну ширину исполнения 0,02 λ. Первый директор 1 имеет высоту исполнения 0,2 λ, удален от несимметричного одношлейфного вибратора 6 на 0,02 λ. Второй директор 2 выполняют высотой 0,21 λ, удален от первого директора 1 на расстояние 0,08 λ. Третий директор 3 имеет высоту 0,2 λ, а интервал со вторым директором 2 составляет 0,083 λ. Четвертый директор 4 выполняют высотой 0,18 λ, а расстояние между четвертым 4 и третьим 3 директорами составляет 0,07 λ. Пятый директор 5 имеет высоту 0,15 λ, а расстояние до четвертого директора 4 0,06 λ.
В качестве активного элемента выбран несимметричный вариант одношлейфного вибратора (см. Мейнке X., Гундлах Ф. Радиотехнический справочник. Том 1. -М., - Л.: Госэнергоиздат, 1960. -417 с.), обеспечивающий расширение рабочего диапазона частот и увеличение коэффициента бегущей волны (см. А.с. СССР №1566433, МПК H04Q 9/26; опубл. 23.05.90, бюл. 19). Входное сопротивление последнего составляет 120…150 Ом. Включение в конструкцию одного рефлектора и 5 директоров снижает (за счет их взаимного влияния) входное сопротивление антенны до величины примерно 50 Ом, что позволяет питать ее стандартным 50-омным кабелем. Элементы антенны 1-7 реализованы двухсторонней печатью на металлизированном текстолите FR-4 толщиной 0,8 мм. Габаритные размеры элементов антенны получены в результате цифрового моделирования, после их реализации настройка антенны не потребовалась.
Выполнено моделирование несимметричной антенны «волновой канал» в печатном исполнении для различных вариантов подстилающей поверхности (ПП) (см. фиг. 7) с габаритами 200×70 мм на основе программы ANSYS HFSS. Характеристики исследуемых моделей (коэффициент стоячей волны (КСВ), коэффициент усиления, ДН в Н и Е плоскостях) были рассчитаны для диапазона частот от 2,3 до 2,7 ГГц. В первом случае (а) экраном служит ПП из FR-4 с металлизацией, во втором (б) основная металлическая пластина 9 приподнята на проводящих стойках на 20 мм. В третьем варианте (в) дополнительно к (б) использован металлический лист направителя 8.
Анализ результатов расчета КСВ и коэффициента усиления свидетельствует о том, что имеют место приемлемые характеристики для всех трех вариантов (см. фиг. 3 и 4). Диаграммы направленности антенн в Н плоскости для рассматриваемых вариантов ПП мало отличаются (см. фиг. 5). Наибольший интерес представляют ДН в Е плоскости (фиг. 6). В первом варианте (а) ДН оторвана от земли в связи с том, что антенна несимметрична. Во втором варианте исполнения антенны (б) имеет место смещение ДН к горизонту. Добиться наибольшего наклона ДН к горизонту позволяет третья конструкция ПП антенны (в). В этом варианте в отличии от первых двух использовано меньше директоров. Учитывая результаты расчета ДН и КУ (наибольшего в третьем варианте) следует вывод о том, что наилучшим по реализации поставленных требований является антенна с третьим вариантом (в) ПП.
Полученные результаты можно пояснить следующим образом. Подстилающая поверхность (металлические пластины 8 и 9) представляет собой границу раздела двух сред: свободное пространство, в котором распространяются радиоволны, излученные совокупностью вибраторов и поверхностные волны, связанные с оконечным участком подстилающей поверхности 8. Придание этому участку (направителю 8) определенной формы, в данном случае наклоненной проводящей плоскости, приводит к взаимодействию совокупности этих полей. В результате главный лепесток ДН наклоняется в сторону подстилающей поверхности (горизонту).
На фиг. 8 приведен внешний вид 5-элементной переключаемой антенной решетки на основе предложенной антенны. Последняя обеспечивает обзор пространства в 360° с коэффициентом усиления не ниже 6 дБ, соответствующих границам стыка ДН соседних элементов решетки. Максимумам ДН соответствует КУ 8 дБ. Предлагаемая антенная решетка может размещаться на корпусе БЛА из чистого диэлектрика, так и с металлизацией. При этом характеристики решетки существенных измерений не претерпевают (наличие металлической подложки улучшает КСВ антенны за счет согласования реактивностей, что способствует увеличению ширины ДН в горизонтальной плоскости с ростом частоты).