Антенна для зондирования ионосферы

Авторы патента:

Давыдов Вячеслав Федорович (RU)

Комаров Евгений Геннадиевич (RU)

Фомин Александр Николаевич (RU)

H01Q3/00 - Устройства для изменения ориентации и(или) формы диаграммы направленности волн, излучаемых антенной или группой антенн

Владельцы патента RU 2504054:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский Государственный Университет Леса" (ФГБОУ ВПО МГУЛ) (RU)

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области измерений геофизических полей Земли и системам связи. Техническим результатом является реализация широкодиапазонной антенны, работающей во всем диапазоне частот зондирования ионосферы. Антенна для зондирования ионосферы выполнена в виде двух скрещенных в ортогональных плоскостях ромбов с длинами ребер 58 м одного и 26 м второго ромба, подвешенных на опорной мачте из композитного материала высотой 32 м, создающей геометрию главной диагонали ромбов, и двух пар вспомогательных мачт высотой 9 м для подвески вторых углов ромбов, растяжек расчаливания механического крепления мачт из полимерного материала и жил токонесущих проводов ромбов, расположенных по образующим цилиндра в качестве излучателей антенны, нагруженных на общее сопротивление, согласованное для режима бегущих волн в излучателях, подключенное к многолучевому заземлителю, выполненному по параллельной схеме, для режима зеркального противовеса. 5 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в области измерений геофизических полей Земли и системах связи.

Постоянный контроль электронной концентрации слоев ионосферы представляется важной задачей в космонавтике, сейсмологии, системах хранения и передачи сигналов точного времени, системах космической связи. Обычно зондирование ионосферы осуществляют в диапазоне 5…30 МГц, на высотах до 1000 км [см., например, «Космонавтика», энциклопедия, М.: Сов. Энциклопедия, 1985 г., Ионосфера, Ионозонд, стр.141-143]. Основные требования к антеннам для зондирования ионосферы - диапазонность, ориентирование диаграммы направленности в зенит, низкий уровень шумов (боковых лепестков).

Известна диапазонная антенна метровых волн под названием «Диполь Надененко» [см. А.Л.Драбкин, В.Л.Зузенко. Антенно-фидерные устройства. Учебник. Сов. Радио, 1964 г., стр.343-345] - аналог. Антенна аналога представляет собой симметричный вибратор из проводов, расположенных по образующим круглого цилиндра, диаметром 1…1,5 м, с числом проводов от 6 до 8, средние участки которого, примыкающие к фидеру, и его концы имеют коническую форму, что обеспечивает волновое сопротивление 250…400, позволяющее подключить антенну непосредственно к фидеру без согласующих трансформаторов, при диапазонности λ_max/λ_min≈2.

Недостатками аналога являются:

- малый коэффициент усиления;

- недостаточная диапазонность;

- большой уровень боковых лепестков.

Ближайшим аналогом является «Ромбическая антенна» [А.Л.Драбкин, В.Л.Зузенко. Антенно-фидерные устройства. Учебник. М.: Сов. Радио, 1961 г., стр.366-370]. Ромбическая антенна представляет собой систему из четырех горизонтальных проводов в форме ромба, подвешенных на опорных мачтах, длина каждого провода 50-150 м, высота подвеса 15…30 м, с одной стороны антенна соединяется с фидером приемопередатчика, с другой стороны антенна замыкается на сопротивление, равное волновому сопротивлению линии, образованной проводами антенны, порядка 600-800 Ом в зависимости от расстояния между проводами, с диаграммой направленности вдоль большой диагонали ромба.

Недостатками ближайшего аналога следует считать:

- наличие в диаграмме значительных боковых лепестков;

- малый угол возвышения главного лепестка диаграммы направленности над поверхностью Земли;

- низкий коэффициент усиления антенны, порядка 100-150.

Задача, решаемая заявленным техническим решением, заключается в реализации широкодиапазонной антенны, работающей во всем диапазоне частот зондирования ионосферы, с ориентацией диаграммы направленности в зенит, большим коэффициентом усиления, низким уровнем шумов и длительным сроком эксплуатации, путем использования композитных материалов.

Технический результат достигается тем, что антенна для зондирования ионосферы выполнена в виде двух скрещенных в ортогональных плоскостях ромбов с длинами ребер 58 м одного и 26 м второго ромба, подвешенных на опорной мачте из композитного материала высотой 32 м, создающей геометрию главной диагонали ромбов, и двух пар вспомогательных мачт высотой 9 м для подвески вторых углов ромбов, растяжек расчаливания механического крепления мачт из полимерного материала и жил токонесущих проводов ромбов, расположенных по образующим цилиндра в качестве излучателей антенны, нагруженных на общее сопротивление, согласованное для режима бегущих волн в излучателях, подключенное к многолучевому заземлителю, выполненному по параллельной схеме, для режима зеркального противовеса.

Изобретение поясняется чертежами, где

фиг.1 - конструктивная схема антенны: а) вид сверху двух скрещенных ромбов, б) вид ромба с опорной мачтой в одной из ортогональных плоскостей;

фиг.2 - расчетные диаграммы направленности: а) меньшего ромба, б) большого ромба, в) результирующая диаграмма направленности антенны;

фиг.3 - пути токов в многолучевом заземлителе-противовесе;

фиг.4 - составное колено мачт подвески ромбов из композитного материала;

фиг.5 - винтовой свайный элемент многолучевого заземлителя.

Антенна (фиг.1 а, б) содержит опорную мачту 1, создающую геометрию главной диагонали подвески ромбов 2, 3, токонесущих проводов-излучателей антенны 4, 5, 6, 7, расположенных по образующим цилиндров с центральными жилами 8, 9, 10, 11 из композитного материала, несущими механическую нагрузку натяга токонесущих проводов, две пары вспомогательных мачт 12, 13, 14, 15 для подвески вторых углов ромбов, растяжек механического крепления мачт 16, сопротивления нагрузки излучателей 17, закрепленного на опорной мачте 1, газоразрядника молниезащиты антенны 18, включенного параллельно сопротивлению нагрузки, заземлителя 19, выполненного по многолучевой схеме на винтовых свайных трубах, заглубленных в грунт 20 и фидера питания излучателей 21.

Динамика взаимодействия элементов антенны состоит в следующем. Для зондирования ионосферы во всем диапазоне необходимо обеспечить соотношение λ_max/λ_min порядка шести. Выбрано конструктивное решение антенного излучателя в виде двух скрещенных в ортогональных плоскостях ромбов, подвешенных на высокой опорной мачте из долговечного композитного материала, создающей геометрию главной диагонали обоих ромбов. Этим обеспечивается ориентация результирующей диаграммы направленности антенны вдоль главной оси, т.е. в зенит. Диапазонность антенны достигается разными размерами ромбов. Для излучения на длинных волнах диапазона использован ромб с длиной ребра излучателя 58 м, при общей длине 116 м, что обеспечивает режим бегущих волн. Для другого края диапазона, с более короткими волнами (порядка 10 м), режим бегущих волн реализован при меньших размерах ребра ромба, равного 32 м и 26 м. Диаграммы направленности излучателей (каждого ромба) могут быть рассчитаны по формуле [см. ближайший аналог, стр.368]:

где 1 - длина стороны ромба, φ₀ - угол между ребром ромба и основной диагональю, φ - текущий угол диаграммы направленности, отсчитываемый от оси. Учитывая, что диаграмма направленности ромбической антенны имеет осевую симметрию, результирующую расчетную диаграмму направленности находят как произведение диаграмм направленности ортогональных ромбов [см. аналог, стр.122]:

F_peз.=F₁(φ,θ)×F₂(φ,θ)

Расчетные диаграммы направленности ромбов F₁(φ,θ), F₂(φ,θ) и результирующая диаграмма направленности иллюстрируются фиг.3 (а, б, в). Между коэффициентом направленного действия антенны и углами раствора диаграммы направленности на уровне половинной мощности существует зависимость [см. аналог, стр.124]:

Из графиков фиг.2 ширина диаграмм направленности излучателя большого ромба составляет F₁(φ)=20°, меньшего ромба F₂(φ)=36°, результирующей диаграммы направленности Р_рез(φ)=12°. Расчетный коэффициент направленного действия заявленного устройства составляет D≈2300, что на порядок превосходит его значение в ближайшем аналоге. Существенное влияние на КНД антенн метровых волн оказывает проводимость почвы в месте расположения антенны. Уровень боковых лепестков и радиояркостная температура антенны убывают пропорционально (1-R²), где R - коэффициент отражения электромагнитных волн от поверхности земли. Для идеально отражающей поверхности R→1. Последнее достигается использованием лучевой схемы заземлителя, выходящей за пределы проекций излучателей антенны на землю. Лучевая схема заземлителя и пути токов в заземлителе иллюстрируются рисунком фиг.3. Все элементы антенны выполены на существующей технической базе. Долговечность эксплуатации антенны обеспечивается применением композитных материалов в элементах конструкции, растяжек и подвески ромбов. Копозитный полимерный материал опорных мачт - серийная продукция научно-производственного предприятия АпАТэк[см., Интернет, сайт http://www.apatch.ru, конструктивные профили, металлокомпозитные накладки]. Составное колено из композитного материала иллюстрируется фиг.4. Многолучевой заземлитель выполнен на винтовых свайных элементах СВС-57/1650 [см. Интернет, сайт http://www.fundex.su/tehnologiya-vintovyh-sv] Винтовой свайный элемент представляет собой металлическую трубу с приваренной с одной стороны лопастью специальной конфигурации (фиг.5). С противоположной стороны трубы приваривается оголовок для подключения заземляющего провода антенны. Винтовые сваи могут оперативно вкручиваться в грунт и выкручиваться из него.

Эффективность антенны характеризуется существенной диапазонностью, высоким коэффициентом направленного действия, малым уровнем боковых лепестков за счет режима зеркального противовеса многолучевого заземлителя.

Антенна для зондирования ионосферы выполнена в виде двух скрещенных в ортогональных плоскостях ромбов с длинами ребер 58 м одного и 26 м второго ромба, подвешенных на опорной мачте из композитного материала высотой 32 м, создающей геометрию главной диагонали ромбов, и двух пар вспомогательных мачт высотой 9 м для подвески вторых углов ромбов, растяжек расчаливания механического крепления мачт из полимерного материала и жил токонесущих проводов ромбов, расположенных по образующим цилиндра в качестве излучателей антенны, нагруженных на общее сопротивление, согласованное для режима бегущих волн в излучателях, подключенное к многолучевому заземлителю, выполненному по параллельной схеме, для режима зеркального противовеса.

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для формирования диаграммы направленности (ДН) в связных или радиолокационных активных фазированных антенных решетках (АФАР).

Моноимпульсная антенна с частотным сканированием // 2490760

Изобретение относится к радиолокационным системам сопровождения с повышенной точностью определения угловых координат. .

Антенный пост радиолокационный станции // 2479897

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокации для обнаружения целей, их захвата и сопровождения, например в радиолокационных системах управления оружием.

Микрополосковая антенна // 2475902

Изобретение относится к антенной технике, может быть широко использовано в качестве самостоятельной приемной или передающей антенны или элемента фазированной антенной решетки, в частности, антенна может применяться как приемная антенна в аппаратуре пользователей космических навигационной систем (GPS, ГЛОНАСС/GPS и т.п.), и позволяет уменьшить габариты микрополосковой антенны без уменьшения эффективности ее излучения.

Способ повышения разрешающей способности фазированной антенной решетки бортовой станции // 2464680

Изобретение относится к бортовым радиолокационным станциям с фазированной антенной решеткой (ФАР), предназначенным для формирования радиолокационного изображения контролируемого участка земной поверхности и объектов на поверхности в координатах дальность - азимут или угол места - азимут в режиме реального луча при маловысотном полете летательного аппарата - носителя РЛС, также к бортовым радиотеплолокационным станциям, принимающим и усиливающим излученный тепловой сигнал в радиолокационном диапазоне длин волн.

Волнообразные диаграммы направленности в режиме передачи для многочисленных одновременно работающих передатчиков для поддержки разделения сигналов в приемнике // 2421853

Изобретение относится к области обработки сигналов, и, в частности, к выделению полезных сигналов из смеси сигналов источников, используя разделение сигналов. .

Антенна с электромеханическим сканированием // 2420839

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиовзрывателях. .

Способ формирования диаграммы направленности в антенной системе с электронным управлением лучом // 2395141

Изобретение относится к области радиолокации. .

Антенный пост радиолокационной станции // 2395140

Компактная микрополосковая антенна без использования диэлектрика (варианты) // 2390890

Изобретение относится к антеннами и, в частности, к микрополосковым антеннам (МПА). .

Дефлекторное устройство для электромагнитного излучения (варианты) // 2526770

Изобретение относится к области телекоммуникаций, а более конкретно - к устройствам для отклонения направленного электромагнитного излучения, и может применяться в радиотехнических конструкциях, в частности в малогабаритных радарных системах. Технический результат - снижение уровня тепловой энергии, выделяемой в высокорезистивных слоях при подаче управляющего напряжения, снижение уровня СВЧ-потерь, упрощение технологического процесса изготовления дефлекторной структуры, упрощение схемы подачи управляющего напряжения. Для этого многослойная отклоняющая структура содержит два активных слоя, два высокорезистивных слоя, два согласующих слоя, два источника напряжения, причем первый источник напряжения Ux выполнен с возможностью создания разности потенциалов Ux1-Ux2 на контактных площадках первого высокорезистивного слоя; второй источник напряжения Uy выполнен с возможностью создания разности потенциалов Uy1-Uy2 на контактных площадках второго высокорезистивного слоя. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Активная фазированная антенная решетка // 2531562

Изобретение относится к радиолокации, в частности к активной фазированной антенной решетке (АФАР). Технический результат - повышение помехозащищенности радиолокационной станции к помехам по зеркальному каналу и уменьшение вероятности возникновения ложных целей. Активная фазированная антенная решетка содержит первый и второй когерентные генераторы, центральный процессор, первый и второй делители мощности, N приемо-передающих модулей, оперативное запоминающее устройство, программируемую логическую интегральную схему, перезаписываемое постоянное запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, векторный модулятор, квадратурный демодулятор, первый и второй полосовые фильтры, усилитель мощности, малошумящий усилитель, циркулятор, защитное устройство. Особенностью активной фазированной антенной решетки является то, что она дополнительно содержит третий когерентный генератор, третий делитель мощности, делитель частоты, направленный ответвитель, регулируемый аттенюатор, первый и второй смесители, контроллер мощности, причем АФАР содержит n+1 приемо-передающих модулей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Передающая антенна // 2532724

Изобретение относится к радиоэлектронной аппаратуре, в частности к конструкции передающей антенны для создания радиопомех приемным устройствам радиоэлектронных средств связи, передачи данных, радиоэлектронных и навигационной аппаратуры потребителей сетевых среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем. Технический результат заключается в формировании в азимутальной плоскости в зависимости от ситуации диаграммы направленности либо максимально приближенной к круговой с равномерным распределением энергопотенциала, либо с повышенным энергопотенциалом в заданном секторе излучения радиопомех. Для этого передающая антенна имеет экран-отражатель, выполненный в виде цилиндрической трубы с излучателями, закрепленными на ее поверхности на равных расстояниях от оси цилиндрической трубы в одной плоскости, перпендикулярной оси цилиндрической трубы, обеспечивающими возможность формирования круговой диаграммы направленности излучения при подаче одновременно на все излучатели помеховых сигналов с одинаковой начальной фазой колебания несущей частоты и формирование направленного по положению в азимутальной плоскости диаграммы сектора с повышенным энергопотенциалом излучения при подаче на излучатели помеховых сигналов с заданными соотношениями начальных напряжений и фаз несущей частоты. При этом цилиндрическая труба участвует как в формировании требуемой диаграммы направленности передающей антенны, так и обеспечении парирования негативного влияния на формирование диаграммы направленности кабелей питания излучающих элементов. 6 ил.

Система управления вентильным электродвигателем вращения антенны рлс // 2541151

Изобретение относится к системам управления вентильными электродвигателями вращения антенны радиолокационной станции (РЛС) и может быть использовано в регулируемых электроприводах. Техническим результатом изобретения является улучшение тактико-технических и эксплуатационных характеристик системы управления вентильным электродвигателем вращения антенны РЛС. Технический результат достигается тем, что в систему управления вентильным электродвигателем вращения антенны РЛС, содержащую инвертор, вентильный электродвигатель, датчик скорости, редуктор, приемопередающие устройства, датчик величины изгиба полотна антенны, устройство коррекции скорости, блок управления инвертором и блок драйверов, вводятся диаграммообразующая система и аналого-цифровой преобразователь и, соответственно, новые связи между элементами, которые позволяют выравнивать скорость обзора пространства при изменении ветровой нагрузки на полотно антенны. Постоянство скорости обзора пространства, достигаемое за счет электронного сканирования диаграммы направленности в противофазе со скоростью вращения антенны, обеспечивает увеличение надежности сопровождения высокоскоростных целей. Ограничение скорости вращения антенны по допустимой величине изгиба, достигаемое за счет соответствующих связей между инвертором, вентильным электродвигателем, датчиком скорости, редуктором, датчиком величины изгиба полотна антенны, устройством коррекции скорости, блоком управления инвертором и блоком драйверов, приводит к уменьшению номинальной мощности электродвигателя и к увеличению коэффициента полезного действия (КПД) регулируемого электропривода. 1 ил.

Способ формирования провалов в направлениях источников помех в диаграммах направленности плоских фазированных антенных решеток с непрямоугольной границей раскрыва // 2559763

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для пространственного подавления помех путем формирования провалов («нулей») в диаграммах направленности фазированных антенных решеток (ФАР) в направлениях источников помех. Технический результат - возможность подавления лепестков высокого уровня в диаграммах направленности больших ФАР с непрямоугольной границей раскрыва. Для этого в способе, основанном на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, при определении вектора весовых коэффициентов используют информацию о направлении на источник сигнала и о распределении источников помех, в состав решетки вводят воображаемые фиктивные элементы, дополняющие раскрыв до прямоугольной формы; при объединении элементов прямоугольного раскрыва в 2М подрешеток элементы, попадающие на границу раздела подрешеток, вводят в состав подрешеток с весом 0.5 для стыка двух подрешеток и 0.25 для стыка четырех подрешеток, а при определении диаграммы направленности решетки исключают вклад дополнительно введенных элементов с фазами соответствующих подрешеток. 4 ил., 1 табл.

Многоэлементная антенная решетка с амплитудной и фазовой компенсацией с адаптивным предварительным искажением для беспроводной сети // 2563455

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для для активного управления угломестной диаграммой направленности излучения антенной решетки. Технический результат - повышение точности компенсации потерь. Для этого антенная решетка содержит множество приводных излучающих элементов, расставленных в пространстве, обладающих парой излучающих элементов, на которые подают предварительно искаженный радиочастотный сигнал, для предоставления управляемого изменения угломестной диаграммы направленности излучения антенной решетки. Эффективность усилителя высокой мощности (PA) поддерживают при помощи адаптивного предварительного искажения, соединенного с каждым PA высокой мощности, в то же время предоставляя наклон луча и управление боковыми лепестками. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 12 ил.

Способ формирования диаграммы направленности двухкольцевой цифровой фазированной антенной решетки // 2573715

Изобретение относится к антенной технике, а именно к антенным системам с электронным управлением лучом и применением кольцевых цифровых фазированных антенных решеток (ЦФАР) в мобильных и стационарных средствах связи. Способ формирования диаграммы направленности двухкольцевой цифровой фазированной антенной решетки включает: цифровую обработку СВЧ сигнала, формирование управляющих сигналов в соответствии с данными о требуемой ДН и передачу излучателям возбуждающих сигналов с амплитудно-фазовым распределением, определенным в соответствии с выбранным критерием, амплитуды Аnm и фазы φnm возбуждающих сигналов определяют, минимизируя функцию F среднеквадратического отклонения формируемой диаграммы направленности R(φ) от заданного распределения Е(φ) поля излучения антенной решетки, характеризующегося наименьшим уровнем боковых лепестков при данной ширине основного лепестка, при этом величина амплитуды Аnm не превышает 1. Техническим результатом является формирование диаграммы направленности с требуемым уровнем боковых лепестков. 3 ил.

Цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции // 2584458

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокационных системах. Технический результат - упрощение устройства и увеличение сектора сканирования при постоянной амплитуде главного лепестка ДН антенной решетки. Для этого устройство содержит антенную решетку из N приемных антенных модулей, устройство оцифровки приемных сигналов, цифровое устройство выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве антенны по каждому из сканирующих лучей, устройство цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности (ДН), каждый приемный антенный модуль дополнительно содержит цифровое устройство формирования ДН, при этом цифровое устройство выработки весовых коэффициентов выполнено с возможностью формирования в раскрыве цифровой приемной антенной решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует ДН, по форме близкая к столообразной. 2 н.п. ф-лы, 2 ил. .

Процесс разнесения спектра спутниковой линии связи для информационных и интернет приложений с использованием одиночной антенны и маршрутизатора // 2602666

Изобретение относится к спутниковой сети связи. Технический результат - обеспечение наивысшей пропускной способности в пределах приемлемых критериев надежности и переключение среди множества спектральных линий связи для обеспечения указанной определенной спектральной линии связи между источником и пунктом назначения. Для этого способ осуществления связи до пункта назначения по множеству спутниковых линий связи с использованием различных спектров, соответственно, содержащих: использование С-диапазона, Ku-диапазона и Ka-диапазона частот для передачи данных в одиночной антенне и одиночном маршрутизаторе и измерение параметров работы линии связи во время этой передачи данных, причем передача данных до указанного пункта назначения разрешена по одному выбранному диапазону частот из указанных диапазонов в соответствии со сравнением измеренных параметров работы линий связи с заранее определенными критериями. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

Экраны для уменьшения эффекта многолучевого приема // 2602772

Представлена антенная система базовых станций для использования в глобальных спутниковых навигационных системах. Антенная система включает в себя антенну, расположенную над высокоимпедансным емкостным экраном (ВИЕЭ). Благодаря тому что поперечные размеры ВИЕЭ и высота установки антенны над указанным экраном лежат в определенных пределах, одновременно может быть достигнуто как высокий уровень подавления многолучевых сигналов, так и высокая чувствительность к сигналам от низколетящих спутников. ВИЕЭ может быть изготовлен в виде плоской проводящей пластины, содержащей набор проводящих элементов, таких как штыри, штыри с увеличенными концами или структуры типа грибок. В других вариантах ВИЕЭ может быть изготовлен в виде плоской проводящей пластины, содержащей набор концентрических дроссельных колец. Антенная система может обеспечить миллиметровую точность определения координат, что на порядок лучше известных конструкций. 14 з.п. ф-лы, 47 ил.