Антенна вибраторного типа летательного аппарата

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к области антенн летательных аппаратов. Может быть использовано в дециметровом диапазоне длин волн в качестве передающей или приемной антенны, в том числе антенны летательного аппарата, имеющего участок траектории с пониженным атмосферным давлением. Антенна вибраторного типа летательного аппарата содержит открытый с одного конца цилиндрический резонатор с крышкой, заполненный диэлектриком, коаксиальный соединитель, настроечный элемент, излучатель, расположенный над настроечным элементом в плоскости, параллельной основанию резонатора. Дополнительно введено устройство автоматической подстройки частоты, установленное на плате, установленной в полости, образованной крышкой и основанием цилиндрического резонатора, содержащее последовательно соединенные направленный ответвитель, детекторную секцию, схему управления, схему изменения реактивности, которая соединена с настроечным элементом. В диэлектрике дополнительно установлен питающий элемент, соединенный через направленный ответвитель с коаксиальным соединителем, в диэлектрике также установлен настроечный элемент в одной плоскости с питающим элементом, диаметрально противоположно ему. На открытом конце резонатора установлена радиопрозрачная теплозащитная вставка с закрепленным внутри нее излучателем в виде плоской пластины с образованием емкостной связи излучателя с питающим и настроечным элементами, оси симметрии которых расположены перпендикулярно основанию цилиндрического резонатора, при этом оси симметрии питающего, настроечного элементов и ось симметрии излучателя расположены в одной плоскости продольного сечения антенны. Достигаемым техническим результатом является обеспечение возможности учета сдвига резонансной частоты антенны и согласования антенны в широкой полосе частот, повышение технологичности изготовления. 5 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно, к области антенн летательных аппаратов (ЛА). Может быть использовано в дециметровом диапазоне длин волн в качестве передающей или приемной антенны, в том числе антенны ЛА, имеющего участок траектории с пониженным атмосферным давлением.

Известна антенна ЛА (см. патент RU №2526768 приоритет от 13.08.2013 «Антенна летательного аппарата» авторов Вохмина А.Р., Шрамко С.А., Иванова А.В., Нечайкиной Л.Ю., МПК: H01Q 13/10, опубл. 27.08.2014). Антенна содержит излучатель, согласующий элемент, открытый с одного конца цилиндрический резонатор (ЦР), частично заполненный диэлектриком, в котором расположен коаксиальный соединитель (КС), установленный в нижней крышке ЦР. Излучатель выполнен в виде кольца и жестко закреплен на диэлектрике, а центральный проводник КС удлинен внутрь ЦР, соединен с излучателем и является питающим шлейфом. Согласующее устройство выполнено в виде двух шлейфов, первый из которых одним концом соединен с излучателем, а другим - с нижней крышкой ЦР, при этом первый шлейф установлен в диэлектрике параллельно центральному проводнику КС, второй шлейф одним концом соединен с боковой стенкой ЦР, а другим - с участком излучателя, расположенным между точками соединения излучателя с центральным проводником КС и первым шлейфом. В нижней крышке ЦР под излучателем в диэлектрике, выполненном в виде крестообразной подставки, установлен настроечный элемент с возможностью осевого перемещения. Излучатель установлен таким образом, что оси симметрии излучателя, ЦР и прямая, проходящая через середину указанного участка излучателя параллельно оси симметрии излучателя, расположены в одной плоскости продольного сечения антенны.

Вышеуказанное изобретение является наиболее близким по технической сущности к заявляемой антенне вибраторного типа ЛА, и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются сложность соединения излучателя с питающим элементом, невозможность учета сдвига резонансной частоты антенны при уносе материала радиопрозрачной теплозащитной вставки (РТЗВ) после воздействия интенсивного теплового потока непосредственно во время полета ЛА.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание антенны вибраторного типа летательного аппарата с автоматической подстройкой частоты.

Достигаемым техническим результатом является обеспечение возможности учета сдвига резонансной частоты антенны и согласования антенны в широкой полосе частот, повышение технологичности изготовления.

Данный технический результат достигается тем, что в антенне вибраторного типа ЛА, содержащей открытый с одного конца цилиндрический резонатор с крышкой, заполненный диэлектриком, коаксиальный соединитель, настроечный элемент, излучатель, расположенный над настроечным элементом в плоскости, параллельной основанию резонатора, новым является то, что дополнительно введено устройство автоматической подстройки частоты, установленное на плате, установленной в полости, образованной крышкой и основанием цилиндрического резонатора, содержащее последовательно соединенные направленный ответвитель, детекторную секцию, схему управления, схему изменения реактивности, которая соединена с настроечным элементом, в диэлектрике дополнительно установлен питающий элемент, соединенный через направленный ответвитель с коаксиальным соединителем. В диэлектрике также установлен настроечный элемент в одной плоскости с питающим элементом, диаметрально противоположно ему. На открытом конце резонатора установлена радиопрозрачная теплозащитная вставка с закрепленным внутри нее излучателем в виде плоской пластины с образованием емкостной связи излучателя с питающим и настроечным элементами, оси симметрии которых расположены перпендикулярно основанию цилиндрического резонатора. Оси симметрии питающего, настроечного элементов и ось симметрии излучателя расположены в одной плоскости продольного сечения антенны.

Новая совокупность существенных признаков позволяет достичь заявляемый технический результат, а именно:

- За счет того, что излучатель вынесен за пределы ЦР и впрессован в РТЗВ, установленную на открытом торце ЦР, обеспечивается согласование антенны вибраторного типа ЛА в широкой полосе частот и повышается коэффициент полезного действия (КПД) антенны.

- Применение устройства с автоматической подстройки частоты, расположенной в полости, образованной крышкой и основанием ЦР, настроечного элемента, схемы изменения реактивности (СИР), позволяет обеспечивать перестройку согласования антенны вибраторного типа ЛА в широкой полосе частот без замены каких-либо составных деталей, тем самым расширяя функциональные возможности антенны вибраторного типа ЛА, а также появляется возможность учитывать смещение рабочей частоты антенны при воздействии интенсивных тепловых потоков и обеспечивать перестройку антенны вибраторного типа ЛА на необходимую рабочую частоту.

- Все детали заявляемой антенны вибраторного типа ЛА имеют простую форму, что существенно упрощает процесс изготовления и сборки антенны вибраторного типа ЛА, тем самым повышается технологичность изготовления.

Антенна вибраторного типа ЛА устанавливается в специальное отверстие в корпусе ЛА.

Изобретение поясняется фиг 1., на которой показан разрез заявляемой антенны вибраторного типа ЛА. На фиг. 2 приведена схема устройства с автоматической подстройкой частоты, где условно показаны входящие в нее структурные элементы.

На фиг. 3 приведена характеристика согласования антенны вибраторного типа ЛА - зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению от частоты (КСВн - коэффициент стоячей волны по напряжению, F0 - рабочая частота).

На фиг. 4 приведены характерные диаграммы направленности заявляемой антенны вибраторного типа ЛА.

На фиг. 5 показано размещение излучателя в прототипе (пунктирная линия) и в заявляемой антенне вибраторного типа ЛА (сплошная линия).

Антенна вибраторного типа летательного аппарата содержит открытый с одного конца ЦР 1 с крышкой 12, заполненный диэлектриком 5, коаксиальный соединитель 13, настроечный элемент 6, излучатель 9, расположенный над настроечным элементом 6 в плоскости, параллельной основанию резонатора 1. Устройство 2 автоматической подстройки частоты, установлено на плате, установленной в полости, образованной крышкой 12 и основанием цилиндрического резонатора 1 и содержит последовательно соединенные направленный ответвитель 18, детекторную секцию 19, схему управления (СУ) 20, схему изменения реактивности 21, которая соединена с настроечным элементом 6. В диэлектрик 5 установлен питающий элемент 7, соединенный через направленный ответвитель 18 с коаксиальным соединителем 13. В диэлектрике 5 также установлен настроечный элемент 6 в одной плоскости с питающим элементом 7, диаметрально противоположно ему. На открытом конце резонатора 1 установлена РТЗВ 11 с закрепленным внутри нее излучателем 9 в виде плоской пластины с образованием емкостной связи излучателя 9 с питающим 7 и настроечным 6 элементами, оси симметрии которых расположены перпендикулярно основанию ЦР 1. При этом оси симметрии питающего 7, настроечного 6 элементов и ось симметрии излучателя 9 расположены в одной плоскости продольного сечения антенны.

Открытый с одного конца ЦР 1 служит корпусом антенны вибраторного типа ЛЛ.

Излучатель 9 представляет собой металлическую пластину, которая впрессована в РТЗВ 11, параллельно основанию ЦР1. РТЗВ 11 выполнена в форме цилиндра со ступенькой для крепления к корпусу ЛА.

Диэлектрик 5 выполнен в форме цилиндра с проточками для питающего 7 и настроечного 6 элементов, изоляторов 3, 4, и вкладыша 8. Вкладыш 8 и изолятор 3, 4 являются конструктивными элементами необходимыми для сборки антенны.

Крепежное кольцо 10 служит для крепления диэлектрика 5 к резонатору 1.

Питающий 7 и настроечный 6 элементы выполнены в форме штырей с установленными на одном из их концов плоскими круглыми пластинами, предназначенными для обеспечения возможности запитки и настройки антенны.

Питающий элемент 7 соединен с первым выходом направленного ответвителя 18 и через емкостную связь обеспечивает прохождение высокочастотного сигнала от коаксиального соединителя 13 через направленный ответвитель 18 до излучателя. Настроечный элемент 6 с помощью устройства автоматической подстройки частоты обеспечивает сдвиг полосы согласования. Расположение настроечного элемента 6 практически диаметрально противоположно питающему элементу 7 под излучателем 9, обеспечивает емкостную связь с настроечным элементом, что обеспечивает более широкую полосу подстройки рабочей частоты антенны вибраторного типа ЛА, т.к. в этом месте излучателя поле имеет максимальное значение.

Плата, на которой расположено устройство автоматической подстройки частоты 2, имеет радиус, равный внутреннему радиусу ЦР 1, и расположена в полости, образованной крышкой 12 и основанием ЦР 1, при этом плата с одной стороны имеет сплошную металлизацию, а на другой имеет металлизированные дорожки, которые соединяют последовательно второй выход направленного ответвителя 18, детекторную секцию 19, СУ 20, СИР 21. СИР в данном примере выполнения содержит последовательно соединенные настроечный полосок 17, сверхвысокочастотный ключ (СВЧ-ключ) 15 и замыкающий винт 16. КС 13, фидер 14, направленный ответвитель 18, питающий элемент 7, излучатель 9 образуют высокочастотную линию питания.

Антенна вибраторного типа ЛА работает следующим образом. Высокочастотный сигнал через КС 13 и фидер 14 поступает на вход устройства 2 автоматической подстройки частоты, через первый выход направленного ответвителя подводится к питающему элементу 7 и далее к излучателю 9. Токи, протекающие на поверхности излучателя 9, возбуждают электромагнитное поле, которое наводит токи на наружную поверхность ЛА. Токи, протекающие на наружной поверхности ЛА, возбуждают электромагнитное поле линейной поляризации, излучаемое в окружающее пространство.

При уносе части материала РТЗВ 11. вследствие воздействия интенсивных тепловых потоков, происходит сдвиг полосы согласования и ухудшение КСВн на рабочей частоте. При этом на направленный ответвитель 18, из-за рассогласования антенны вибраторного типа ЛА, возрастает уровень высокочастотного сигнала на втором выходе направленного ответвителя, который подается в детекторную секцию 19. После детекторной секции 19 продетектированный сигнал подается на СУ 20. При превышении продетектированного сигнала определенного уровня СУ 20 формирует сигнал для замыкания сверхвысокочастотного ключа СВЧ-ключа 15. Замыкание СВЧ-ключа 15, расположенного в СИР 21, приводит к изменению реактивности настроечного элемента 6, тем самым происходит сдвиг полосы согласования антенны и настройки антенны вибраторного типа ЛА на рабочую частоту.

Антенна вибраторного типа ЛА имеет ширину полосы согласования по уровню КСВн=2.5 не менее ±30 МГц от рабочей частоты (см. фиг. 3), СИР 21 обеспечивает смещение центральной частоты и полосы согласования в пределах не менее ±40 МГц.

Ширина диаграммы направленности антенны вибраторного типа ЛА по уровню минус 10 дБ в плоскости вектора Е составляет не менее ±110°, в плоскости Н не менее ±90°, диаграмма направленности в передней полусфере не имеет провалов (см. фиг. 4). Коэффициент усиления антенны вибраторного типа ЛА в максимуме диаграммы направленности составляет не менее 2 дБ.

Характеристика согласования, коэффициент усиления и диаграммы направленности получены при установке антенны вибраторного типа ЛА на металлический лист с размерами 280×280 мм.

Проведенный анализ показывает, что заявляемая антенна вибраторного типа ЛА обладает автоматической подстройкой частоты, удовлетворяет условиям патентоспособности, технически реализуется и имеет промышленную применимость.

Антенна вибраторного типа летательного аппарата, содержащая открытый с одного конца цилиндрический резонатор с крышкой, заполненный диэлектриком, коаксиальный соединитель, настроечный элемент, излучатель, расположенный над настроечным элементом в плоскости, параллельной основанию резонатора, отличающаяся тем, что дополнительно введено устройство автоматической подстройки частоты, выполненное на плате, установленной в полости, образованной крышкой и основанием цилиндрического резонатора, содержащее последовательно соединенные направленный ответвитель, детекторную секцию, схему управления, схему изменения реактивности, которая соединена с настроечным элементом, в диэлектрике дополнительно установлен питающий элемент, соединенный через направленный ответвитель с коаксиальным соединителем, в диэлектрике также установлен настроечный элемент в одной плоскости с питающим элементом, диаметрально противоположно ему, на открытом конце резонатора установлена радиопрозрачная теплозащитная вставка с закрепленным внутри нее излучателем в виде плоской пластины с образованием емкостной связи излучателя с питающим и настроечным элементами, оси симметрии которых расположены перпендикулярно основанию цилиндрического резонатора, при этом оси симметрии питающего, настроечного элементов и ось симметрии излучателя расположены в одной плоскости продольного сечения антенны.