АНТЕННА С УВЕЛИЧЕННОЙ ДАЛЬНОСТЬЮ РАДИОСВЯЗИ

Полезная модель относится к радиотехнике и предназначена для использования в качестве антенн радиосвязи для мобильных и стационарных наземных объектов, речных и морских судов, а также летательных аппаратов.
В антеннах радиосвязи обычно требуется всенаправленное излучение с вертикальной поляризацией электромагнитной волны. При этом радиосвязь между корреспондентами происходит преимущественно в горизонтальной азимутальной плоскости. Для антенн, установленных на наземных, воздушных и других объектах, на дальность связи преимущественно влияет величина коэффициента усиления (КУ) антенны в горизонтальной азимутальной плоскости. Например, для самолета, летящего на высоте 10 км, горизонт виден под углом минус 3 градуса, а два самолета, летящие на расстоянии 500 км один от другого, видят друг друга под углом всего минус 2 градуса. При радиосвязи "борт-земля" самолет, летящий на высоте 10 км и на расстоянии 180 км от наземной станции, виден с земли под углом 0, (- 2) градуса.
Известна антенна типа четвертьволновый несимметричный вибратор (НВ) [1]. Эта антенна имеет малую высоту и небольшое лобовое сопротивление, поэтому ее часто используют на летательных аппаратах (ЛА). Но ее недостатком является ограничение по дальности радиосвязи. Четвертьволновый НВ, установленный на проводящей поверхности ограниченных размеров (например на фюзеляже ЛА), имеет небольшую величину КУ в азимутальной плоскости. Так на частоте 1,1 ГГц расчетная величина КУ четвертьволнового НВ, расположенного на алюминиевом диске диаметром два метра равна (-0,74) дБ, так как максимумы его диаграмм направленности (ДН) в угломестной плоскости направлены вверх под углом 25° к линии горизонта.
Расчетная величина КУ четвертьволнового НВ, расположенного на двухметровом диске, в азимутальной плоскости увеличится до 0,48 дБ за счет образования поверхностной волны, если на поверхности под ним установить замедляющую систему, представляющую собой проводящую периодическую структуру в виде системы кольцевых канавок. Это так называемая антенна поверхностных волн (АПВ) [2]. Ее кольцевые канавки имеют глубину около 0,1 длины волны, поэтому в ДМВ диапазоне на частоте 1,0 ГГц глубина канавок будет равна 30 мм. Если такую антенну установить на ЛА, то замедляющая структура выступающая над фюзеляжем не менее чем на 30 мм, будет создавать значительное лобовое сопротивление. Величина лобового сопротивления, например, на высоте 10 км при скорости порядка 1000 км/час и выше, может достигать величины порядка 100 кг. А это означает дополнительные требования к прочности конструкции антенны, а также дополнительный расход топлива ЛА. Если же структуру кольцевых канавок заглубить в корпус ЛА, то в нем необходимо вырезать отверстие достаточно большого диаметра. Такое отверстие в обшивке может значительно снизить прочность конструкции ЛА.
Недостатками данной антенны АПВ [2] являются: сложность конструкции замедляющей структуры, трудоемкость ее изготовления, а так же невозможность использования ее на ЛА по причине значительного лобового сопротивления.
Существует антенна АПВ [3]. Данная антенна имеет достаточно высокий КУ в азимутальной плоскости, а ее замедляющая периодическая структура выполнена в виде отрезков плоских металлических лент одинаковой длины, лежащих на плоском диэлектрике. Такая замедляющая структура проста по конструкции и имеет малый вертикальный размер. Главным недостатком такой антенны АПВ [3] является то, что она относится к типу направленных антенн, работает преимущественно в одном направлении и не может сформировать в азимутальной плоскости всенаправленную ДН. Направленная антенна АПВ не может использоваться в качестве антенны радиосвязи, так как радиосвязная антенна должна обеспечивать радиосвязь на всех азимутальных направлениях и в азимутальной плоскости должна иметь всенаправленную, близкую к круговой ДН.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является антенна типа симметричный полуволновой вибратор (ПВ) [4], установленная на проводящей поверхности ограниченных размеров. По сравнению с антеннами типа четвертьволновый НВ [1] и АПВ [2] она имеет большую величину КУ в горизонтальной плоскости. Расчет показывает, что для симметричного ПВ, расположенного на двухметровом диске, угол отклонения максимумов его ДН от горизонта меньше, чем у четвертьволнового НВ и составляет 21°, поэтому для симметричного ПВ величина КУ в горизонтальной плоскости достигает уже 0,93 дБ.
Применение данной антенны на ЛА ограничено тем, что на форму ее ДН влияет геометрия ЛА. Установленная на ЛА антенна типа симметричный ПВ имеет в азимутальной плоскости не круглую ДН, как на диске. Она характеризуется максимумами, в которых КУ имеет большую величину, а также минимумами, в которых напротив КУ имеет малую величину. А уменьшение КУ приводит к уменьшению дальности радиосвязи.
Таким образом, недостатком антенны-прототипа также является ограничение по величине КУ в горизонтальной плоскости.
Основной задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание антенны типа симметричный полуволновой вибратор с увеличенной в горизонтальной плоскости величиной КУ, которая достигается за счет использования замедляющей структуры, состоящей из расположенных на диэлектрике плоских проводящих концентрических колец.
Указанный технический результат достигается тем, что в антенне с увеличенной дальностью радиосвязи, включающей вертикальный симметричный полуволновой вибратор, установленный на проводящей поверхности, под вертикальным симметричным полуволновым вибратором на проводящей поверхности расположена диэлектрическая пластина толщиной от 0,4/100 до 8/100 длины волны в свободном пространстве, на поверхности которой находятся плоские замкнутые проводящие концентрические кольца, при этом концентрические кольца имеют одинаковую ширину, лежащую в пределах от 1/138 длины волны до 1/15 длины волны в свободном пространстве, а расстояние между кольцами лежит в пределах от 1/276 до 1/92 длины волны в свободном пространстве, при этом толщина плоских колец не менее 30 микрометров, а вертикальная ось полуволнового вибратора проходит через центр концентрических колец.
С использованием программы Ansoft HFSS проводилось компьютерное моделирование антенн, установленных в центре алюминиевого диска диаметром 2 м. Были произведены расчеты ДН и КУ на частоте 1100 МГц и сравнение нормированных ДН и КУ(дБ) в азимутальной и угломестной плоскостях для следующих типов антенн: четвертьволнового НВ, четвертьволнового НВ с замедляющей структурой в виде кольцевых канавок, симметричного ПВ, а также предлагаемой антенны. На фиг. 1 показано устройство предлагаемой антенны, в состав которой входят: 1 - вертикальный симметричный ПВ, 2 – плоские проводящие концентрические кольца, 3 - диэлектрическая пластина, 4 - проводящая поверхность.
Таким образом, на горизонтальной проводящей поверхности 4 расположена замедляющая структура, представляющая собой диэлектрическую пластину 3 с расположенными на ней плоскими проводящими концентрическими кольцами 2, в центре которой установлен вертикальный симметричный ПВ 1.
На фиг. 2 показана предлагаемая антенна, установленная в центре алюминиевого диска диаметром 2 метра, как это было реализовано на компьютерной модели.
На фиг. 3-6 представлены результаты расчетов нормированных ДН в угломестной вертикальной плоскости каждой из вышеперечисленных антенн соответственно (на фиг. 3 для четвертьволнового НВ, на фиг. 4 для четвертьволнового НВ с замедляющей структурой в виде кольцевых канавок, на фиг. 5 для симметричного ПВ, на фиг. 6 для предлагаемой антенны). В приведенных результатах расчетов диаметр замедляющих структур аналога [2] и предлагаемой антенны (по внешнему проводящему кольцу) принимался равным длине волны в свободном пространстве.
На фиг. 7 представлены диаграммы, показывающие величину КУ(дБ) каждой из четырех антенн в азимутальной плоскости.
На фиг. 8, 9 представлены объемные ДН антенны-прототипа и предлагаемой антенны соответственно.
На приведенных фигурах видно, что у симметричного ПВ на диске главный максимум угломестной нормированной ДН направлен вверх под углом 21° к горизонту, а уровень нормированной ДН в горизонтальной плоскости равен 0,53. У предлагаемой же антенны главный максимум опустился ближе к горизонту на 3°-4°, а уровень нормированной ДН в горизонтальной плоскости достиг уровня 0,8 от величины главного максимума. По абсолютной величине КУ в горизонтальной плоскости увеличился с 0,93 дБ у симметричного ПВ до 2,37 дБ у предлагаемой антенны, т.е. на 1,44 дБ. Таким образом, у предлагаемой антенны значительная часть энергии излучения направляется в плоскость горизонта, в отличие от аналогов, у которых основная энергия излучения направлена под углом к горизонту. Это хорошо иллюстрируют фиг. 8 и фиг. 9.
На фиг. 10-12 показаны возможные реализации предлагаемой антенны: на фиг. 10 показан наземный вариант, на фиг. 11 показан вариант антенны для дозвукового ЛА, а на фиг. 12 показан вариант антенны для сверхзвукового ЛА. На фигурах обозначено: 2 - плоские проводящие концентрические кольца, 3 - диэлектрическая пластина, 4 - проводящая поверхность, 5 - плоский обтекатель замедляющей структуры, 6 - аэродинамический обтекатель, закрывающий вертикальный симметричный ПВ.
Предлагаемая антенна работает следующим образом.
Электромагнитные волны, излучаемые вертикальным полуволновым вибратором, распространяются в свободном пространстве в виде сферических волн. Распространение волн вдоль поверхности периодической кольцевой структуры, находящейся на поверхности диэлектрика (фиг. 1 и фиг. 2), приводит к их замедлению. Фазовая скорость распространения волн вдоль поверхности становится меньше, чем скорость их распространения в свободном пространстве. Нижняя часть фазового фронта электромагнитной волны, излучаемой симметричным ПВ, вследствие замедления на периодической структуре, движется с отставанием от верхней части фронта. Вертикальное сечение фронта электромагнитной волны в своей нижней части спрямляется. Энергия электромагнитных волн передается в направлениях, перпендикулярных линиям фазовых фронтов. Поэтому уплощение этих фронтов свидетельствует о большей концентрации мощности вблизи поверхности периодической кольцевой структуры, находящейся на поверхности диэлектрика [2].
Таким образом, периодическая структура концентрических колец, находящаяся на поверхности диэлектрика является замедляющей структурой, вдоль которой образуется поверхностная волна. Поэтому в горизонтальной плоскости ДН предлагаемой антенны всенаправленная, а в угломестной вертикальной плоскости происходит перераспределение энергии излучения. Часть энергии в виде поверхностных волн направляется в плоскость горизонта, вследствие чего и главные максимумы ДН приближаются к горизонту, что хорошо видно на фиг. 6 и фиг. 7, а также на фиг. 8 и фиг. 9.
Итак, в предлагаемой антенне за счет замедляющей структуры заметно увеличивается величина КУ в горизонтальной азимутальной плоскости. А увеличение КУ в горизонтальной плоскости в свою очередь приводит к увеличению дальности радиосвязи. Например, если на двух самолетах установлены антенны типа симметричный ПВ и дальность радиосвязи между ними была 250 км, то применение предлагаемой антенны, по приведенным оценкам, увеличит дальность радиосвязи до 295 км.
Расчеты по программе Ansoft HFSS показали, что наибольших значений КУ предлагаемой антенны достигает при толщине диэлектрической пластины от 0,4/100 до 8/100 длины волны в свободном пространстве, ширине концентрических колец от 1/138 длины волны до 1/15 длины волны в свободном пространстве, расстоянии между кольцами от 1/276 до 1/92 длины волны в свободном пространстве и толщине плоских колец не менее 30 микрометров. В предлагаемой антенне на рабочей частоте максимальный КУ достигается при радиусе внешнего кольца замедляющей структуры, равном половине длины волны в свободном пространстве.
По расчетам в азимутальной плоскости предлагаемая антенна имеет практически круговую нормированную ДН, ее неравномерность составляет всего 0,04 дБ. Это меньше, чем у симметричного ПВ (0,08 дБ) и значительно меньше, чем у других аналогов (0,67 дБ и 0,55 дБ). Малая неравномерность ДН улучшает стабильность связи.
Предлагаемая антенна в силу своей конструктивной простоты она легко реализуется практически. У аналога - четвертьволнового НВ с замедляющей структурой толщина замедляющей структуры равна 0,1Λ, а у предлагаемой антенны толщина замедляющей структуры ≤0.01Λ (около 2 мм), т.е. меньше, как минимум на порядок. Преимуществом предлагаемой антенны является увеличение дальности радиосвязи по сравнению с антенной-прототипом без увеличения ее высоты. Аэродинамическое лобовое сопротивление предлагаемой антенны в самолетном исполнении по сравнению с антенной типа симметричный ПВ не увеличится, что имеет большое значение для ее применения в авиации.
Литература:
1. Шатраков Ю.Г., Ривкин М.И., Цыбаев Б.Г. "Самолетные антенные системы", Москва, "Машиностроение", 1979, стр. 106-107.
2. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. "Антенно-фидерные устройства", Москва, "Советское радио", 1974, стр. 391-392.
3. Патент №1805517 А1, 21.09.90, "Антенна поверхностной волны".
4. Мейнке X. и Гундлах Ф.В. "Радиотехнический справочник", том I, Госэнергоиздат, Москва, Ленинград, 1960, стр. 310 (прототип).