Аэростатная антенна

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве ненаправленной УКВ приемопередающей антенны, поднимаемой аэростатом. Техническим результатом является снижение парусности и массы без снижения диапазона рабочих частот по согласованию. Сущность изобретения состоит в том, что аэростатная антенна состоит из металлического контейнера, соосно с которым закреплен у основания металлический стержень. На внешнем конце металлического стержня закреплены ортогонально друг другу два рамочных излучателя, выходы которых объединены и подключены с помощью металлического кольца к центральному проводнику коаксиального выхода радиостанции, размещенной в металлическом контейнере, к которому подключен противовес в виде радиально расходящихся проводников и подключенных к их внешним концам дополнительных отрезков проводников. Определены оптимальные соотношения размеров элементов конструкции аэростатной антенны. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве ненаправленной антенны, поднимаемой летательными аппаратами легче воздуха (аэростаты, зонды и т.п.).

Известны слабонаправленные антенны, которые могут быть использованы на аэростатах (см., например, Резников Г.Б. Антенны летательных аппаратов. - М., Сов. Радио, 1967, стр.288-299). Известные антенны представляют собой различного рода излучатели (шлейфовые, петлевые и т.д.), установленные на корпусе контейнера, в котором размещена радиоаппаратура. Известные аналоги отличаются простотой конструкции и формируют диаграмму направленности (ДН) требуемой формы. Недостатком указанных аналогов является их малая диапазонность, что ограничивает их использование совместно с многоканальными радио- и радиорелейными станциями. Попытки же добиться требуемой диапазонности приводят к неоправданному увеличению габаритов и массы устройств.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является «Аэростатная антенна» по пат. РФ №2097880 от 27.11.97, МПК H01Q 1/28. Антенна-прототип состоит из металлического контейнера (МК), соосно с которым закреплен металлический стержень (МС). По обе стороны от стрежня размещены проводники, верхние концы которых подключены к вершине стержня, нижние - к выходу радиостанции, расположенной в МК. К корпусу МК подключены радиальные проводники, выполненные в виде петли.

Недостатком прототипа является относительно большая парусность и масса, обусловленные необходимостью применения петлеобразных металлических радиальных проводников для эффективного влияния противовеса на достижение требуемых электрических параметров антенны (входного сопротивления, сопротивления излучения, качества согласования, коэффициента полезного действия (КПД), коэффициента усиления (КУ) и т.п.).

Целью изобретения является разработка аэростатной антенны (АА) с меньшими парусностью и массой без снижения диапазона рабочих частот по согласованию.

Заявленная аэростатная антенна расширяет арсенал средств данного назначения.

Поставленная цель достигается тем, что в известной аэростатной антенне (АА), содержащей металлический контейнер (МК) с размещенной в нем радиостанцией (PC), соосно установленный с осью МК металлический стержень (МС), одним концом электрически и механически соединенный с МК, а другим концом соединенный со средней точкой первого рамочного излучателя (РИ), входы которого подключены к выходу PC, и противовеса в виде проводников, радиально расходящихся от МК и подключенных к его корпусу, дополнительно к МС ортогонально первому подключен идентичный второй РИ.

Проводники противовеса расположены под углом α=40÷50° к вертикальной оси АА. Внешний конец каждого из проводников противовеса подключен к соответствующему дополнительному отрезку провода (ДОП). Удаление R(x) произвольного сечения каждого ДОП от вертикальной оси АА составляет

где x - расстояние вдоль оси АА, на которое удалено рассматриваемое сечение ДОП от точки его подключения к проводнику противовеса; R₀ - удаление ДОП от оси АА в точке его подключения к проводнику противовеса.

Диаметр d поперечного сечения МС выбран в пределах d=(0,015...0,02)λ_min, λ_min - минимальная длина волны рабочего диапазона волн АА. Высота h и ширина «в» первого и второго РИ выбраны из условий h≥0,15λ_min; в=(0,3÷0,35)h.

Длина l_пр каждого из проводников противовеса выбрана в интервале (0,17÷0,19)λ_min и соотносится с длиной l_доп ДОП как l_пр/l_доп=0,4...0,5.

Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков при меньших поперечных размерах проводов противовеса и одновременном увеличении их общей длины в заявленной антенне остаются неизменными ее входные параметры, условия согласования с выходом PC и, следовательно, сохраняется ее эффективность (КУ). Возможность совмещения ДОП с системой подвески антенны к аэростату обуславливает снижение парусности и массы АА в целом.

Проведенный анализ уровня техники показал, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественны всем признакам заявленной АА, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа существующими признаками заявленной АА, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленный объект соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показано:

на фиг.1 показан общий вид антенны,

на фиг.2 - вариант крепления антенны к аэростату;

на фиг.3, 4 - результаты экспериментальных исследований.

Аэростатная антенна, показанная на фиг.1, состоит из МК 1 высотой «а» и с квадратным основанием со стороной «с». Соосно с вертикальной осью (ось о-о′) МК 1 закреплен МС 2 с диаметром поперечного сечения 2r, имеющий с поверхностью МК 1 электрический контакт. Симметрично относительно оси стержня установлены во взаимно ортогональных плоскостях первый и второй РИ 3 высотой «h» и шириной «в» (см. также фиг.1a). На общем виде АА (фиг.1) с целью упрощения второй РИ 3 не показан. Стороны РИ 3, примыкающие к основанию МК 1, отстоят от его поверхности на расстояние «d». Вершина МС 2 (точка «к») электрически подсоединена к средним точкам РИ 3. Входы РИ 3 электрически подключены к металлическому кольцу МКл. 4. МКл. 4 не имеет электрического контакта с поверхностью МС 2 (например, может быть изолировано диэлектрической втулкой). В плоскости каждого РИ 3 установлены с равным интервалом «н» параллельно оси МС 2 отрезки проводников 5, электрически подключенные к противоположным сторонам рамки. Отрезки проводников 5, примыкающие к стержню 2, отстоят от него на расстояние «м». Проводники противовеса 6 длиной l_пр одним концом подключены к корпусу МК у его основания (см. также фиг.1б) и установлены с наклоном вверх под углом α относительно вертикальной оси. Внешние концы проводников 6 противовеса подключены к соответствующим концам ДОП 7. Каждый ДОП 7 имеет длину l_пр и установлен таким образом, что удаление R(х₁) произвольного сечения провода, например, в точке «р» на фиг.1 и отстоящего от точки х=0 вдоль вертикальной оси о-о′ на расстоянии х₁ определяется выражением (1).

Отношение длин проводов противовеса 6 l_пр и ДОП 7 l_доп выбрано в пределах l_пр/l_доп=0,4...0,45, а длина l_пр проводников противовеса 6 составляет (0,17...0,19)λ_min. Конструктивно указанная форма ДОП 7 может быть обеспечена путем установки диэлектрических или металлических распорных колец 8. Диаметр соответствующего распорного кольца (РК) 8 определяется координатой х места его установки вдоль оси о-о′ АА. Дополнительно в процессе отработки конструкции экспериментально определены следующие оптимальные соотношения элементов конструкции антенны:

2r=0,01...0,011λ_min; d=0,015...0,02λ_min;

в/h=0,3...0,35.

Целесообразно рамочный излучатель выполнять из проводников с диаметром поперечного сечения, составляющим 0,002-0,003 λ₀, где λ₀ - средняя длина волны рабочего диапазона волн АА.

Фидер от выхода радиостанции через коаксиальный разъем 9 центральным проводником подключен к МКл. 4, а экранной оболочкой к корпусу МК 1.

Заявленное устройство работает следующим образом. При включении радиостанции ее вход оказывается нагруженным на комплексное сопротивление, включающее:

- сопротивление вибратора, одним плечом которого является совокупность проводников противовеса 6 и ДОП 7, а другим - эквивалентное плечо, образованное двумя РИ 3, в которых учитывают протекающие в них синфазные токи;

- два реактивных сопротивления, обусловленных протеканием по РИЗ противофазных токов. При этом форма ДН такой антенны имеет вид, как у симметричного вибратора в свободном пространстве. Известно, что в рабочем диапазоне максимум ДН такого вибратора находится в плоскости «Н» (в данном случае плоскость «Н» совпадает с горизонтальной плоскостью).

С точки зрения входных параметров заявленная антенна представляет собой петлевой вибратор. Путем набора соотношений элементов его конструкции можно в широких пределах обеспечить взаимную компенсацию реактивных составляющих сопротивлений, подключенных к входу радиостанции. Известно, что входные параметры петлевых (шунтовых) вибраторов определяются соотношением размеров элементов его конструкции. В данном случае размерами: 2r, «н», «в», «h», «м».

Правила выбора указанных размеров для достижения требуемых входных параметров известны и описаны, например, в книге: Антенны, часть I, под ред. Муравьева Ю.К. - Л., ВАС, 1963, стр.263...271.

Указанные выше соотношения, необходимые для достижения поставленной цели, определены экспериментальным путем в процессе отработки конструкции устройства. Эксперименты показали, что несоблюдение указанных соотношений не позволит обеспечить достижение указанного технического результата при использовании заявленной АА.

Конкретная реализация заявленного устройства определяется заданным диапазоном рабочих частей f_min...f_max.

Важно, что в данной схеме размеры контейнера практически не оказывают влияния на параметры антенны в целом, а зависят от геометрии проводов 6 противовеса и дополнительных отрезков провода 7. Поэтому разработанное для заданного диапазона устройство требует минимальной доработки при смене габаритов контейнера.

Форма расположения проводов противовеса 6 и ДОП 7 позволяет исключить влияние торцевой емкости противовеса и обеспечить плавное согласование различных по форме плеч АА, т.е. сохранить условия согласования антенны с выходом радиостанции.

Так, аэростатная антенна, предназначенная для работы в диапазоне 30...80 мГц, в которой использован контейнер в форме прямоугольного параллелепипеда высотой α=300 мм и квадратным основанием с×с=300×300 мм, имеет следующие размеры основных элементов конструкции:

h=1500 мм; 2r=40 мм; м=н=50 мм; d=70 мм; α=45°;

l_пр=700 мм, l_доп=1600 мм; в=450 мм, R₀=645 мм,

число проводников противовеса - 8 шт., число ДОП 7-8 шт.; проводники 6 противовеса и ДОП 7 выполнены из медных проводников диаметром 3 мм; число прямолинейных проводников 5 в плоскости каждой рамки - 6 шт. (по три с каждой стороны относительно оси) и диаметром 10 мм; коаксиальный кабель марки РК-50.

Экспериментальная проверка подтвердила теоретические предпосылки. Приведенные на фиг.3 результаты измерения КБВ (заявленная антенна - сплошная линия; прототип - пунктир) указывает на практически одинаковый характер измерения уровня КВБ≥0,5 в заданном диапазоне частот. Из ДН на фиг.4 видно, что во всем рабочем диапазоне максимум ДН ориентирован в плоскости «Н». Благодаря наличию двух рамочных излучателей, установленных ортогонально в азимутальной плоскости, ДН практически изотропна.

При практически одинаковых электрических параметрах сравниваемых антенн заявленная АА имеет на 40% меньшую массу и на 30-40% меньшую парусность.

Таким образом, при использовании заявленного устройства в сравнении с прототипом следует ожидать следующих технических преимуществ:

- сохранение неизменными электрических параметров (КБВ, ДН);

- снижение массогабаритных характеристик и парусности;

- снижение вероятности поломок устройства, повреждения оболочки аэростата и травматизма обслуживающего персонала при подъеме и спуске антенны.

Перечисленные технические преимущества дают основание ожидать повышения надежности функционирования радио- и радиоретрансляционных линий связи с применением заявленной аэростатной антенны.

1. Аэростатная антенна, содержащая металлический контейнер с размещенной в нем радиостанцией, соосно установленный с металлическим контейнером металлический стержень, одним концом электрически и механически соединенный с металлическим контейнером, а другим - со средней точкой первого рамочного излучателя, входы которого подключены к выходу радиостанции, и противовеса в виде радиально расходящихся от металлического контейнера и подключенных к его корпусу проводников, отличающаяся тем, что дополнительно к металлическому стержню ортогонально первому подключен второй рамочный излучатель, идентичный первому, проводники противовеса расположены под углом α к вертикальной оси аэростатной антенны и внешний конец каждого из проводников противовеса подключен к соответствующему дополнительному отрезку провода, причем удаление R(x) произвольного сечения каждого дополнительного отрезка провода от вертикальной оси аэростатной антенны составляет

R(x)=R₀exp[-(5...6)·10^-4х],

где х - расстояние вдоль оси аэростатной антенны, на которое удалено рассматриваемое сечение от точки подключения дополнительного отрезка провода к проводнику противовеса; R₀ - удаление дополнительного отрезка провода от вертикальной оси аэростатной антенны в точке его подключения к проводнику противовеса.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что металлический стержень выполнен с диаметром d поперечного сечения в пределах d=(0,015...0,02)λ_min, а высота h и ширина «в» первого и второго рамочных излучателей выбраны из условий

h≥0,15λ_min; в=(0,3-0,35)h,

где λ_min - минимальная длина волны рабочего диапазона волн.

3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что длина l_пр каждого проводника противовеса составляет (0,17...0,19)λ_min и соотносится с длиной l_доп дополнительного отрезка провода как l_пр/l_доп=0,4...0,45, где λ_min - минимальная длина волны рабочего диапазона волн.

4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что угол α, под которым расположены проводники противовеса относительно вертикальной оси антенны, выбран в интервале α=40...50°.