RU2807420C1 - On-board antenna for unmanned aerial vehicles using metamaterial - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates namely to weakly directional antennas used in unmanned aerial vehicles. The essence of the proposed solution is that square plates made of metamaterial having 1 dimension are placed near the antenna rod of an unmanned aerial vehicle. The square cell size of the metamaterial is 0.51λ. The side size of a square plate is 1.05λ, where λ - wavelength. These plates are placed perpendicular to the antenna-pin on the fuselage of the UAV, which are made of material with negative magnetic permeability.

EFFECT: increase in the radio communication range of the antenna when adjusting its type of pattern to the optimal normalized pattern.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к слабонаправленным антеннам, использующимся в беспилотных летательных аппаратах.The invention relates to the field of radio engineering, namely to weakly directional antennas used in unmanned aerial vehicles.

Изобретение может быть использовано в аппаратуре для беспилотных летательных аппаратов для улучшения характеристик антенн, а именно улучшение направленности и увеличения дальности радиосигнала. The invention can be used in equipment for unmanned aerial vehicles to improve the characteristics of antennas, namely improving the directionality and increasing the range of the radio signal.

Основными требованиями к бортовым антеннам беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) легкого класса являются:The main requirements for on-board antennas of light-class unmanned aerial vehicles (UAVs) are:

- обеспечение кругового обзора и максимальной направленности в горизонтальном направлении;- providing all-round visibility and maximum directionality in the horizontal direction;

- диапазон рабочих частот около 2500 МГц;- operating frequency range of about 2500 MHz;

- коэффициент усиления (КУ - G).- gain (KU - G).

Одной из важных задач с беспилотных летательных аппаратов создание антенной техники для определения государственной принадлежности (ОГП).One of the important tasks with unmanned aerial vehicles is the creation of antenna technology to determine nationality (OGP).

Анализ известных технических решений показывает целесообразность использования традиционного радиолокационного опознавания (Буренок В.М., Москаленко В.И., Соломенин Е.А. Направления развития систем опознавания// Вооружение и экономика. №1 (17) 2012 г.). На данный момент используется система госопознавания «Страж», касательно антенн беспилотного летательного аппарата используются либо всенаправленные, либо направленные антенны с шириной ДНА порядка 60-90° и усилением 2-4 дБи.An analysis of known technical solutions shows the feasibility of using traditional radar identification (Burenok V.M., Moskalenko V.I., Solomenin E.A. Directions for the development of identification systems // Armament and Economics. No. 1 (17) 2012). At the moment, the “Guardian” state identification system is used; regarding the antennas of an unmanned aerial vehicle, either omnidirectional or directional antennas with a bottom width of about 60-90° and a gain of 2-4 dBi are used.

Одним из решений может быть применение коллинеарных антенн (см., например, Пат. РФ №2498466, МПК H01Q 9/20, опубл. 10.11.2013). Однако для достижения требуемого КУ, их высота может достигать 240 мм, что затрудняет их использование на БЛА.One solution may be the use of collinear antennas (see, for example, Patent of the Russian Federation No. 2498466, IPC H01Q 9/20, published 11/10/2013). However, to achieve the required gain, their height can reach 240 mm, which makes their use on UAVs difficult.

В патенте РФ №2071158, МПК H01Q 19/30, опубл. 27.12.1996, описана бортовая антенна транспортного средства, которая 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.In RF patent No. 2071158, IPC H01Q 19/30, publ. 12/27/1996, an on-board antenna of a vehicle is described, which contains an asymmetrical vertical active vibrator, a reflector and a director installed in a metal bar with the ability to regulate their relative position, and the bar is rigidly fixed to the roof of the vehicle and has electrical contact with the roof of the vehicle.

Недостатком этой антенны является отрицательное влияние экранирующего действия проводящей поверхности металлической крыши вагона, обусловленное наличием расстояния между монтажной планкой антенны и крышей транспортного средства. Это влияние заключается в резком подъеме направления главного лепестка диаграммы направленности относительно горизонтальной плоскости, что приводит к уменьшению расстояния устойчивой радиосвязи или к полной потере радиосвязи между подвижным транспортным средством и взаимодействующим с ним пунктом.The disadvantage of this antenna is the negative influence of the shielding effect of the conductive surface of the metal roof of the car, due to the presence of the distance between the antenna mounting plate and the roof of the vehicle. This effect consists of a sharp rise in the direction of the main lobe of the radiation pattern relative to the horizontal plane, which leads to a decrease in the distance of stable radio communication or to a complete loss of radio communication between the mobile vehicle and the point interacting with it.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой является бортовая антенна беспилотного летательного аппарата (RU 2715353 C1, МПК H01Q19/30, опубл. 26.02.2020). Она содержит вертикальные, последовательно и линейно расположенные на основной металлической пластине рефлектор, активный вибратор и директор, основную металлическую пластину, установленную на пьедестале.The closest in technical essence to the claimed one is the on-board antenna of an unmanned aerial vehicle (RU 2715353 C1, IPC H01Q19/30, publ. 02.26.2020). It contains a vertical reflector, an active vibrator and a director located sequentially and linearly on a main metal plate, a main metal plate mounted on a pedestal.

Основной недостаток антенны является сложная структура исполнения, где каждый пассивный элемент имеет строго свои размеры и значения, а также не учитываются изменения, которые будут вноситься корпусом беспилотного летательного аппарата.The main disadvantage of the antenna is its complex design structure, where each passive element has strictly its own dimensions and values, and the changes that will be made by the body of the unmanned aerial vehicle are not taken into account.

Задачей изобретения является создание антенны беспилотного летательного аппарата с увеличением дальности радиосвязи.The objective of the invention is to create an antenna for an unmanned aerial vehicle with an increase in radio communication range.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предполагаемое изобретение, является увеличение дальности радиосвязи антенны при корректировке ее вида ДН к оптимальной нормированной ДН.The technical result to which the proposed invention is aimed is to increase the radio communication range of the antenna when adjusting its pattern type to the optimal normalized pattern.

Технический результат достигается тем, что вблизи антенны-штыря беспилотного летательного аппарата размещаются квадратные пластины из метаматериала, имеющие 1 размерность. Размер квадратной ячейки метаматериала равен 0.51λ. Размер стороны квадратной пластины равен 1.05λ (длина волны). Данные пластины размещаются перпендикулярно антенне-штырю на фюзеляже БПЛА, которые выполнены из материала с отрицательной магнитной проницаемостью.The technical result is achieved by placing square plates of metamaterial having 1 dimension near the antenna-whip of the unmanned aerial vehicle. The size of the square cell of the metamaterial is 0.51λ. The side size of a square plate is 1.05λ (wavelength). These plates are placed perpendicular to the antenna-pin on the fuselage of the UAV, which are made of material with negative magnetic permeability.

На Фиг.1 показана антенна-штырь со вставками из метаматериала.Figure 1 shows a whip antenna with metamaterial inserts.

На Фиг. 2 изображены ячейки с указанием параметров из метаматериала и целой пластины, содержащей несколько ячеек.In FIG. Figure 2 shows cells with parameters from a metamaterial and a whole plate containing several cells.

На Фиг. 3 антенна-штырь со вставками метаматериала на БПЛА в CST Studio Suit.In FIG. 3 antenna-whip with metamaterial inserts on a UAV in the CST Studio Suit.

На Фиг. 4 показаны результаты электродинамического моделирования.In FIG. Figure 4 shows the results of electrodynamic modeling.

Антенна-штырь с вблизи расположенными вставками из метаматериала, показанная на Фиг. 1, содержит вибратор 1 и пластину из материала с отрицательной магнитной проницаемостью 2.The whip antenna with closely spaced metamaterial inserts shown in FIG. 1, contains a vibrator 1 and a plate made of a material with negative magnetic permeability 2.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Электромагнитная энергия, поступающая на штырь, излучается. Под действием излучения наводятся токи на пластине, помещенной вблизи штыря. The operation of the proposed device is carried out as follows. Electromagnetic energy entering the pin is radiated. Under the influence of radiation, currents are induced on a plate placed near the pin.

Результирующее излучение антенны складывается из излучения токов штыря и поля токов, наведенных на пластине. Систему «антенна-штырь + пластина» можно рассматривать как антенную решетку с активным элементом в центре и пассивных излучателей, соответствующих излучающим токам, наведенным на экране. На Фиг. 2 представлена форма пластины из материала с отрицательной магнитной проницаемостью. На Фиг. 3 показана полная система вместе с беспилотником и его размахом крыла. The resulting radiation from the antenna consists of the radiation from the pin currents and the field of currents induced on the plate. The antenna-pin + plate system can be considered as an antenna array with an active element in the center and passive radiators corresponding to the radiating currents induced on the screen. In FIG. Figure 2 shows the shape of a plate made of a material with negative magnetic permeability. In FIG. Figure 3 shows the complete system along with the drone and its wingspan.

Из классических положений теории следует, что мощность принятого отраженного сигнала обратно пропорциональна четвертой степени дальности до цели и пропорциональна ее эффективной площади рассеивания (ЭПР). Условием обнаружения цели в направлении (θ,ϕ) на дальности R является превышение минимального уровня отраженного сигнала, при котором происходит обнаружение с требуемой вероятностью:From the classical provisions of the theory it follows that the power of the received reflected signal is inversely proportional to the fourth power of the range to the target and is proportional to its effective dispersion area (ERS). The condition for detecting a target in the direction (θ,ϕ) at a distance R is to exceed the minimum level of the reflected signal at which detection occurs with the required probability:

(1) (1)

Опознавание при дальности до цели R _отв возможно, если мощность принятого ответного сигнала достаточна:Identification at target range Rrev is possible if the power _of the received response signal is sufficient:

(2) (2)

где P_{(прм САЗО мин)} - минимальный уровень принятого ответного сигнала, при котором возможно опознавание с заданной вероятностью, G - коэффициент усиления.where P _{(prm SAZO min)} is the minimum level of the received response signal at which identification is possible with a given probability, G is the gain factor.

Требования к форме ДН антенны ответчика вытекают из условия равенства дальностей обнаружения цели и приема ответного сигнала R_отв= R_РЛС:The requirements for the shape of the transponder antenna pattern follow from the condition of equality of target detection ranges and reception of the response signal R _rep = R _radar :

(3) (3)

Таким образом, оптимальная нормированная ДН по мощности должна иметь вид:Thus, the optimal normalized power pattern should have the form:

(4) (4)

Использование антенны ОГП с ДН (4) позволяет увеличить дальность действия при неизменной мощности передатчика ответчика в √G раз.The use of an OGP antenna with a radiation pattern (4) makes it possible to increase the range of action at a constant power of the transponder transmitter by √G times.

G= (5)G= (5)

Из приведенных данных следует, что при подобранном расположении пластин из метаматериала можно скорректировать форму ДН и, как следствие, увеличить дальности радиосвязи.From the data presented it follows that with a selected arrangement of metamaterial plates, it is possible to adjust the shape of the pattern and, as a result, increase the radio communication range.

Антенна для беспилотного летательного аппарата может быть выполнена следующим образом. Штырь выполнен из меди с серебряным или позолоченным покрытием. Пластина из материала с отрицательной магнитной проницаемостью (МNG типа) выполняется в виде диэлектрической пластины с нанесенным на ее поверхности металлическим рисунком в виде разрезных квадратных или круглых колец диаметром не менее λ/π, где λ - длина волны в воздухе. Указанная пластина по электрическим характеристикам соответствует материалу с отрицательной магнитной проницаемостью (И. Слюсар. Метаматериалы в антенной технике. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 7/2009, стр. 72-73).An antenna for an unmanned aerial vehicle can be configured as follows. The pin is made of copper with silver or gold plated. A plate made of a material with negative magnetic permeability (MNG type) is made in the form of a dielectric plate with a metal pattern applied on its surface in the form of split square or round rings with a diameter of at least λ/π, where λ is the wavelength in air. The specified plate according to its electrical characteristics corresponds to a material with negative magnetic permeability (I. Slyusar. Metamaterials in antenna technology. ELECTRONICS: Science, Technology, Business 7/2009, pp. 72-73).

Для подтверждения технического результата изобретения проведено электродинамическое моделирование заявляемой антенны. Модель антенны приведена на Фиг. 3. На Фиг. 4 представлены расчетные данные.To confirm the technical result of the invention, electrodynamic modeling of the inventive antenna was carried out. The antenna model is shown in Fig. 3. In FIG. 4 shows the calculated data.

Разработанная антенна-штырь с использованием метаматериала MNG-типа для беспилотного летательного аппарата позволяет увеличить дальность радиосвязи, соответствующей направлению наземной радиолокационной станции. The developed whip antenna using MNG-type metamaterial for an unmanned aerial vehicle allows increasing the radio communication range corresponding to the direction of the ground radar station.

Claims (1)

Бортовая антенна для беспилотных авиационных комплексов нового поколения с использованием метаматериала, состоящая из штыря, один конец которого прикреплен к фюзеляжу, пассивные элементы расположены вблизи штыря, отличающаяся тем, что пассивные элементы представляют собой одноразмерные квадратные диэлектрические пластины, выполненные из материала с отрицательной магнитной проницаемостью, размер квадратной ячейки метаматериала равен 0.51λ, где λ - длина волны, размер стороны квадратной пластины равен 1.05λ. Onboard antenna for new generation unmanned aircraft systems using metamaterial, consisting of a pin, one end of which is attached to the fuselage, passive elements are located near the pin, characterized in that the passive elements are one-dimensional square dielectric plates made of material with negative magnetic permeability, the size of a square cell of the metamaterial is 0.51λ, where λ is the wavelength, the side size of a square plate is 1.05λ.