Высокоэффективная NVIS КВ антенна с автоматической настройкой на рабочую частоту разработана по заказу ООН и предназначена, в основном, для оборудования внедорожных автомобилей, находящихся в составе автопарков полиции, спецслужб охраны, автомобилей высшего армейского командного состава, и других организаций, нуждающихся в средствах подвижной КВ радиосвязи, которые обеспечивают уверенную эксплуатацию на расстояниях, традиционно пораженных отсутствием радиосвязи вследствие особенностей распространения радиоволн, известных под названием эффекта мертвой зоны. Изделие обеспечивает скрытую, практически неузнаваемую установку и эксплуатацию высокоэффективной антенной системы на транспорте, что в ряде случаев является уникальным дополнительным преимуществом для обеспечения связи в условиях специального применения и повышения уровня безопасности жизни оперативного персонала. Изделие прошло полевые испытания в Ираке, Афганистане, ОАЭ, Австралии,России и показало высокие результаты.
Принципы построения
ST-940B относится к рамочным антеннам малой аппертуры с электрической длиной менее 0.1 , известных под названием Very Small Tuned Magnetic Loop и может, в приближении, рассматриваться как магнитный диполь. Рамочные антенны отличаются от “открытых” типов антенн (диполей и вертикальных штырей) реактивным импендансом и низким ( 1 mOм ) сопротивлением излучения. Так как эффективность излучения антенны определяется отношением сопротивления излучения к полному сопротивлению настроенного контура (рамки), следовательно, эффективность таких антенн в значительной степени зависит от площади поверхности проводника из которого выполнена рамка, качество которого напрямую определяет уровни генерируемого магнитного потока в ближней зоне и уровня напряженности ЭМП в дальней зоне. При достижении этих условий путем введения специальных технологических приемов снижения сопротивления в контактах можно построить рамочную антенну, характерной особенностью которой будет являться примерно на порядок более высокая добротность (Q-factor), чем у 5-10 метровых вертикальных антенн и 10-40 метровых диполей. Как результат, при условии настройкирамки посредством КПЕ с низкими потерями, рамочные антенны обладают чрезвычайно острым резонансом и высокими селективными свойствами, позволяющими избавиться от дополнительных фильтров при дуплексной связи с малым частотным разносом на две рамочные антенны, которые могут быть установлены в непосредственной близости. Другой характерной особенностью таких антенн является почти вертикальный подъем угла основного лепестка излучения горизонтальной ДН, что позволяет получать отраженный от ионосферы пространственный луч в зонах, где, в случае использования других антенн, поверхностный луч уже ослаблен, а пространственный падает дальше, оставляя, таким образом, необлученную территорию. Эти преимущества рамочных антенн дополняются чрезвычайно малыми габаритными размерами, позволяющими устанавливать их в местах, где невозможно установить никакие другие типы антенн. Автомобильная антенна ST-940B является вариантом рамочной антенны, так называемой полурамкой и представляет собой комбинацию рамки с металлическим экраном, включенным в состав ее периметра и эмулирующим недостающую ее часть. Это позволяет еще более снизить профиль антенны и более выгодно адаптировать всю конструкцию для установки на транспорте.
Параметры и особенности конструкции
Разработка и моделирование антенны производилась с широким использованием современного ПО EZNEC 4.0, использующего математический метод моментов, наиболее точно обеспечивающим строгое соответствие конструктива и заданных параметров излучения и получения требуемых диаграмм направленности (ДН). В результате проектирования и создания промежуточных рабочих моделей была разработана конструкция, основой которой является платформа в виде автомобильного багажника, одновременно выполняющая функцию металлического экрана, способствующего дополнительному отжиму ДН кверху, что еще более оптимизирует зенитно-направленные свойства антенны. В результате, в отличие от торроидной формы ДН полной рамки, ДН этой антенны представляет собой квазисферу с направленной к зениту горизонтальной плоскостью поляризации и направленной к горизонту вертикальной плоскостью поляризации. Это также привело к сглаживанию острых минимумов в горизонтальной плоскости излучения, характерных для полной рамки, что означает практически эквивалентную (<1dB) азимутальную направленность, которая является важным и обязательным параметром в условиях подвижной радиосвязи.
На графиках приводится сравнительный анализ работы 5-метровой вертикальной автомобильной антенны с автонастройкой на частоту (слева) и антенны ST-940B (справа). Эти графики сняты в ходе полевых испытаний в ОАЭ, в условиях низкой проводимости почвы и в светлое время суток на расстояниях 20-800 км. Кроме того, на обе антенны были проведены связи с радиостанциями из Средней Сибири, Казахстана, Украины, Индии, Дальнего Востока России, Ирака и Афганистана. Проводились также сравнения со стационарнной дипольной антенной, подвешенной на высоте 10м. Проведенные испытания показали явное преимущество ST-940B на расстояниях до 1200 километров при выходной мощности трансивера 100 Ватт. Особенно заметно преимущество на расстояниях от 80 до 250 км, где прием был возможен только с использованием полурамки ST-940B. Далее, примерно на расстояниях до 4000 км все три типа антенн имеют похожее поведение, однако небольшое преимущество диполя в дневное время суток, с наступлением темноты сменяется недостатком из-за значительно более высокого уровня местного шума. При передаче данных, ST-940B, по сравнению со всеми испытуемыми антеннами, обеспечивала наименьший уровень потери битов и снижения скорости из-за контрольных перезапросов на всех расстояниях, что является следствием лучшего соотношения сигнал/шум из-за малой чувствительности антенны к внеполосным шумам и помехам статического происхождения. Повышенное качество передачи данных и более высокий комфорт при передаче речи объяснется узкополосностью и повышенной селективностью.
Используя в расчетах данные проведенных экспериментов проведения связи между двумя 100 Вт радиостанциями, работающих на полурамки размером 1.5-2.0m., имеющих типичное усиление от -16 до +5dBi в диапазоне от 2.5 до 15 MHz и учитывая условия распространения, становится очевидным, что вышеуказанный комплект оборудования ГАРАНТИРУЕТ уверенную передачу речи и данных как минимум на расстояниях до 700 км без мертвых зон. Эта задача не может быть выполнена при использовании любой 5-10м вертикальной антенны, даже при 1000 Вт выходной мощности. Ни одна вертикальная штыревая удлиненная антенна - единственно возможная другая антенна на транспорте – не может ни передать, ни принять достаточно энергии для покрытия типичной 60-300 км мертвой зоны.
Вывод: Магнитная полурамка является наиболее эффективной антенной для подвижной КВ радиосвязи и единственной антенной, позволяющей осуществлять связь без мертвых зон на всем протяжении радиотрассы от 0 до 1400 км всего при 100 Вт выходной мощности. В ряде случаев качество связи с использованием ST-940B превосходит качество, обеспечиваемое другими видами антенн зенитного излучения и даже направленных логопериодических антенн.
Для большего удобства эксплуатации и улучшения фактора скрытности антенной системы ST-940B имеет возможность дистанционного управления и контроля положения рамки, реализованного при помощи сервопривода и специально спроектированных низкоимпедансных шарниров. Управление рамкой, также как и управление работой микрошагового двигателя автоматического согласующего устройства (АСУ) осуществляется через специальный блок управления с текстовым выводом, включенный в общую систему, имеющей в своем составе 4 микропроцессора.
ST-940B полностью спроектирована с использованием современного ПО (NEC (EZNEC, SolidWorks, Autocad, PCB-design и др.). При производстве были использованы высокотехнологичное оборудование: CNC-обработка, TIG-сварка, литье под давлением, штамповка, порошковая окраска. В номенклатуре комплектации широко присутствуют заказные комплектующие (вакуумные реле, вакуумные переменные и многослойные керамические конденсаторы, шаговые двигатели, сервоприводы, кабели, MIL-SPEC разъемы, вибродемпферы, ленточные литцендраты и др.). Было создано уникальное ПО для всех трех микроконтроллеров, управляющих работой устройства. Несмотря на применение микроконтроллеров и даже ШИМ-драйвера, антенна не создает помех КВ приему. Изделие в целом отличается продуманностью и высокой культурой исполнения. Ниже приведены некоторые основные достигнутые параметры.
ST-940B - единственная мобильная рамочная антенна, способная работать с трансиверами выходной мощностью до 150 W PEP. Это единственная автоматически настраиваемая антенна, которая без переделок может быть использована с любым трансивером, что достигается путем специально введенного микроконтроллерного устройства (Junction Unit), отвечающего за организацию интерфейса с любым трансивером на программном уровне. Это единственная рамочная антенна, имеющая средства вывода значений электрических параметров (КСВН, частота, другие служебные сообщения), а также встроенные функции диагностики, мнемонического и акустического контроля направления движения и положения рамки на многофункциональном OLED-дисплее, установленном в салоне автомобиля. Это одна из немногих рамочных антенн, обеспечивающая согласование не хуже КСВН 1.2:1 во всем диапазоне. Это мобильная рамочная антенна, точка настройки которой не зависит от тряски, ударов, ветра, дождя и солнца. Несмотря на вторичность функции багажника, пара чемоданов не вызовет заметного ухудшения параметров антенны. Конструкция не имеет физически легко уязвимых узлов и деталей, расположенных в центре грузовой площадки точек согласования и кабелей, входяших в состав узкорезонансных цепей. Это, наконец, единственная мобильная рамочная антенна с автоматической настройкой, которая в полной мере отвечает требованиям скрытности.
В настоящее время нашей компанией разрабатывается базовая версия антенны, которая, при всех вышеуказанных преимуществах, обеспечит легкую и быструю ее установку без использования мачт и растяжек на площади в 2м.. Кроме того, в ближайшем будущем планируются работы по разработке рамочных антенн, снабженных высокоскоростными (5миллисекунд) АСУ, позволяющими использовать эти антенны в составе радиоустановок с функцией ППРЧ (псевдослучайная перестройка частоты - FH - frequency hopping).
