Ультракоротковолновая антенна

Изобретение относится к электротехнике, а именно к антенной технике, и предназначено для использования в каналах ультракоротковолновой (УКВ) радиосвязи и в аппаратуре маркерных сигналов, фиксируемых, например, летательными аппаратами. УКВ антенна состоит из излучателя 1, запрессованного в радиочастотный обтекатель (РПО) 2 и размещенного над металлическим экраном (МЭ) 3, который установлен на водонепроницаемой крышке (ВНПК) 4, закрепленной в раскрыве котлована 5. Котлован оборудован в полупроводящей среде 6. В плоскости котлована 5 размещены: механизм управления положением излучателя (МУПИ), состоящий из винтовых домкратов (ВД) 8, конического редуктора (КР) 9, закрепленного на валу реверсируемого электродвигателя (РЭД) 10 подъема/спуска излучателя 1. В зависимости от выбранной рабочей частоты излучатель 1 с помощью МУПИ поднимают/опускают на заданную высоту относительно металлического экрана (МЭ) 3, чем достигается сохранение формы ДН и повышение КПД антенны. Техническим результатом при использовании УКВ антенны является расширение диапазона частот, при которых обеспечивается стабильность формы диаграммы направленности (ДН) с максимумом, ориентированным в зените, и повышение КПД антенны. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электрорадиотехнике, а именно к антенной технике и предназначено для использования в радиолиниях ультракоротковолновой (УКВ) связи в качестве самостоятельной подземной приемно-передающей антенны или в качестве элемента в составе УКВ фазированных антенных решеток (ФАР), к которым предъявляют повышенные требования по устойчивости к вибрационным и ударным нагрузкам и к стабильности формы диаграммы направленности (ДН) в рабочем диапазоне частот, заявленная УКВ антенна также может использоваться в составе аппаратуры маркерных сигналов фиксируемых, например, летательным аппаратом (ЛА).

Известны УКВ подземные антенны (ПА), например, УКВ ПА, используемая в качестве элемента подземной ФАР по патенту RU №2133531, опубл. 20.07.1999 г. Аналог состоит из двух ортогональных излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды или на ее поверхности. Излучатели выполнены в виде четырехугольника, симметричного относительно его продольной оси и с отличающимися углами α и β при вершинах. Излучатели подключены с помощью высокочастотного фидера к выходу передатчика.

Недостатком аналога является низкая эффективность (коэффициент полезного действия - КПД) из-за существенного затухания излученного поля в полупроводящей среде.

Известна также ПА по патенту RU №2472263, опубл. 10.01.2013. ПА состоит из плоского ортогонального излучателя, размещенного в пределах полупроводящей среды (ППС). Излучатели с помощью отрезков коаксиального кабеля подключены к фидерному тракту. Излучатель расположен в котловане, на дне которого установлен металлический экран (МЭ). Объем котлована заполнен грунтом.

Недостатком аналога является также низкий КПД из-за поглощающего действия ППС.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей технической сущности к заявленному объекту является УКВ антенна по патенту США №2120241, опубл. 14 июня 1938 г.

Антенна-прототип установлена в котловане, оборудованном в толще ППС, например, в земле. Стенки и дно котлована укреплены гидроизоляцией и металлизированы. Раскрыв котлована снабжен водонепроницаемой и радиопрозрачной крышкой. В котловане размещен излучатель, подключенный к высокочастотному (в.ч.) фидеру и скрепленный с механизмом управления положением излучателя (МУПИ). МУПИ выполнен в виде контейнера, удерживаемого на дне котлована упорами. Роль МЭ выполняет металлизированное дно котлована.

Благодаря МУПИ обеспечивается возможность ориентации диаграммы направленности (ДН) излучателя в требуемом направлении.

Недостатком ближайшего аналога является узкий диапазон рабочих частот, в котором обеспечивается сохранение требуемой формы ДН, что обусловлено изменением в диапазоне рабочих частот электрической высоты излучателя относительно МЭ, т.е. изменением h/λ_p, где h - высота излучателя над МЭ, λ_p - рабочая длина волны. Кроме того, прототип обладает относительно малым КПД из-за поглощающего действия ППС.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленной УКВ антенны, является расширение диапазона рабочих частот, в котором обеспечивается стабильность требуемой формы ДН, при сохранении ориентации максимума ДН в зенит и повышение КПД антенны.

Технический результат достигается тем, что в известной УКВ антенне, погруженной в котлован, оборудованный в ППС и снабженный влагонепроницаемой крышкой (ВПНК), установленной в раскрыве котлована, содержащей излучатель, размещенный над МЭ и подключенный к высокочастотному (в.ч.) фидеру, МУПИ, размещенный в котловане.

МЭ установлен на ВНПК. Над МЭ установлен радиопрозрачный обтекатель (РПО) с запрессованным в нем излучателем. МУПИ состоит из винтовых домкратов (ВД), взаимодействующих с коническим редуктором (КР). КР закреплен на валу реверсивного электродвигателя (РЭД) подъема/спуска излучателя. РПО через соосные отверстия в ВНПК и МЭ закреплен на верхних торцах упоров ВД. Для контроля высоты излучателя над МЭ введен блок контроля высоты (БКВ) подъема/спуска излучателя.

Входы БКВ подключены к датчикам высоты (ДВ) излучателя. ДВ закреплены в нижней части упоров ВД. В.ч. фидер, подключенный к входу излучателя, выполнен витым и размещен в вертикально закрепленном в котловане тубусе. РПО выполнен из полимерного материала и закреплен на верхних торцах опор ВД посредством вращающихся гайка-подшипников.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленной УКВ антенне достигается возможность стабилизации в более широком диапазоне рабочих частот электрической высоты (соотношения h/λ) излучателя над МЭ, что указывает на сохранение ориентации максимума ДН антенны в вертикальной плоскости (в зенит). Кроме того, излучатель во всем рабочем диапазоне находится выше раскрыва котлована, что снижает потери в ППС и, следовательно, повышает КПД антенны в целом, т.е. обеспечивает достижение указанного технического результата.

Заявленная антенна поясняется чертежами, на которых показано:

Фиг. 1- общий вид УКВ антенны;

Фиг. 2 - вид сверху на УКВ антенну;

Фиг. 3 - форма ДН в зависимости от электрической частоты излучателя;

Фиг. 4 - рисунок, поясняющий работу антенны в динамике;.

Заявленная УКВ антенна, показанная на фиг.1, состоит из излучателя 1, запрессованного в РПО 2, выполненного, например, из полимерного материала. В зависимости от требуемой поляризационной структуры излучаемого поля (линейной или вращающейся) излучатель выполняют в виде линейного симметричного вибратора или двух ортогональных симметричных вибраторов (см. фиг. 2).

В исходном (свернутом) состоянии УКВ антенны РПО 2 размещен непосредственно на МЭ 3, который, в свою очередь, установлен на ВНПК 4, закрепленной в раскрыве котлована 5. Котлован 5 оборудован в полупроводящей среде 6, например, в земле. Стенки котлована 5 укреплены водонепроницаемыми панелями 7, исключающими обвал грунта котлована 5 и накопления в нем влаги. В полости котлована 5 размещен МУПИ, состоящий из ВД 8, взаимодействующих с коническим редуктором (КР) 9, который закреплен на валу РЭД 10 подъема/спуска излучателя (1). Электропитание РЭД 10 подводят с помощью электрокабеля 11. РПО 2 через соосные отверстия в ВНПК 4 и МЭ 3 закреплен на верхних торцах упоров 12 ВД 8. Нижние части каждого из упоров 12 установлены в защитной трубе 13, на которой закреплены по N магнитных датчиков высоты (МДВ) 14. На фиг. 1 на каждой защитной трубе 13 показано по три МДВ 14 (N=3). Выходы каждого из МДВ 14 подключены к соответствующему входу блока контроля датчиков (БКД) 15, выход которого подключен к входу блока управления высотой (БУВ) 16 излучателя 1. Излучатель 1 подключен к в.ч. фидеру 17, который выполнен витым и размещен в тубусе 18, установленном вертикально на технологической перегородке 19 (см. фиг. 1). Часть в.ч. фидера 17 от точки «a'» до точки «а''» запрессована в РПО 2 и является несъемной частью. С технологической перегородкой 19 скреплен конический редуктор 9.

РПО 2 через соосные отверстия в ВНПК 4 и МЭ 3 закреплен на верхних торцах упоров 12 посредством вращающихся гайкаподшипников 20. Винтовые домкраты 8 скреплены с технологической перегородкой 19, через отверстия в которой пропущены соответствующие упоры 12 винтовых домкратов 8.

БКД 15 предназначен для фиксации сигналов от соответствующих МДВ 14 при достижении заданной высоты h излучателя 1 над плоскостью МЭ 3 и последующей передачи этих сигналов с выхода БКД 15 на вход БУВ 16 излучателя, в котором вырабатывают управляющий сигнал на включение / выключение питания РЭД 10 подъема/спуска излучателя 1. Элемент, задающий команду на включение/выключение и направление вращения РЭД 10 на приведенных фигурах на показан.

В качестве РЭД 10 может быть использован выпускаемый промышленностью реверсивный электродвигатель, например, типа 6OYN6-2 (см., например http://www.lepse.com/products/163/).

Конический редуктор 9 предназначен для синхронной передачи вращательного момента от вала РЭД 10 на ВД 8 (всего в конструкции антенны четыре ВД 8, см. фиг. 2).

В качестве конического редуктора 9 могут быть использованы выпускаемые промышленностью редукторы на четыре выхода, например, типа DZ Transmissioni (см., например, htttp://www.servomh.ru/reduktory/ konicheskie).

Винтовые домкраты 8 предназначены для подъема на заданную высоту h излучателя 1 над плоскостью МЭ 3 и с помощью винтовых упоров 12 удержания излучателя 1 на выбранной высоте h. В качестве винтового домкрата 8 могут быть использованы выпускаемые промышленностью винтовые домкраты, например, типа Rhombus - 911 (см., например, http://sevzappm.ru/domkraty/vintovye).

МДВ 14 предназначены для формирования сигнала о достижении заданной высоты h излучателя над плоскостью МЭ 3 и передачи этого сигнала на соответствующий вход БКД 15. В каестве МДВ 14 могу быть использованы известные индуктивно-проводные датчики (см., например, https://docs.cntd.ru/document/1200112850 ГОСТ 32783-2014 «Датчики индуктивно-проводные. Требования безопасности и методы контроля).

Заявленное устройство работает следующим образом. В исходном (нерабочем) состоянии РПО 2 расположен непосредственно на МЭ З. При заданном диапазоне рабочих частот (F_min-F_max), или соответствующем диапазоне рабочих длин волн (λ_min-λ_max) предварительно общий диапазон разбивают на несколько поддиапазонов (например, на 3 поддиапазона), в пределах каждого из которых выполняется условие 0,2<h/λ<0.3. Выполнение указанного условия обеспечивает практически сохранение требуемой ориентации максимума диаграммы направленности в зенитном направлении. В противном случае в ДН формируется провал в зенитном направлении (см. фиг. 3).

В качестве примера ниже рассмотрен случай, когда полный диапазон рабочих частот соответствует (F_min-F_max)=(100-220) МГц, что соответствует диапазону рабочих длин волн: (λ_min-λ_max)=(3-1,4) м.

Далее заданный общий диапазон разбивают на 3 поддиапазона: I поддиапазон: (100-140) МГц; (3-2,1) м; λ'_ср=2,55 м; 0,25 λ'_ср=0,63 м.

II поддиапазон: (140-180) МГц; (2,1-1,7) м; λ''_ср=1,9 м; 0,25 λ''_ср=0,475 м.

III поддиапазон: (180-220) МГц; (1,7-1,36) м; λ'''_ср=1,53 м; 0,25 λ'''_ср=0,38 м.

Следовательно, при работе в I поддиапазоне высота h' подъема излучателя (1) над МЭ (3) должна составлять h'=0.25 λ'_ср=0,63 м; во втором поддиапазоне h''=0,25 λ''=0,475 м; в третьем поддиапазоне h'''=0.25 λ'''=0,38 м.

При выполнении указанных условий электрическая высота излучателя над экраном h/λ будет изменяться в пределах:

в первом поддиапазоне h₁/λ₁=(0,22-0,28), см. фиг.4а;

во втором поддиапазоне h₂/λ₂=(0,23-0,28), см. фиг.4б;

в третьем поддиапазоне h₃/λ₃=(0,21-0,3), см. фиг.4в.

Такое изменение соотношения h/λ в каждом из поддиапазонов не изменяет уровня излучаемого электромагнитного поля в зенитном направлении (см. фиг. 4), и следовательно сохраняет энергетический потенциал в радиолинии, во всем рабочем диапазоне частот.

Кроме того, излучатель всегда находится в воздушной среде, что практические исключает дополнительные тепловые потери в ППС 6, окружающий котлован 5.

Таким образом благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном устройстве при его эксплуатации, обеспечивается в более в широком диапазоне частот сохранение требуемой формы ДН с максимумом, ориентированным в зенитном направлении и повышение КПД антенны за счет снижения тепловых потерь в ППС, т.е. достигается указанный технический результат.

1. Ультракоротковолновая (УКВ) антенна, погруженная в котлован (5), оборудованный в полупроводящей среде (ППС) (6) и снабженный водонепроницаемой крышкой (ВНПК) (4), установленной в раскрыве котлована (5), содержащая излучатель (1), размещенный над металлическим экраном (МЭ) (3) и подключенный к высокочастотному фидеру (17), механизм управления положением излучателя (МУПИ), размещенный в котловане (5), отличающаяся тем, что на влагонепроницаемой крышке (4) котлована (5) размещен МЭ (3), над которым установлен радиопрозрачный обтекатель (РПО) (2) с запрессованным в нем излучателем (1), МУПИ состоит из винтовых домкратов (ВД) (8), взаимодействующих с коническим редуктором (9), закрепленным на валу реверсивного электродвигателя (РЭД) (10) подъема/спуска излучателя (1), радиопрозрачный обтекатель (2) через соосные отверстия во влагонепроницаемой крышке (4) и металлическом экране (3) закреплен на верхних торцах упоров (12) винтовых домкратов (8), причем дополнительно введен блок (15) контроля высоты (БКВ) подъема/спуска излучателя (1), входы которого подключены к датчикам (14) высоты, установленным в нижней части винтовых домкратов.

2. УКВ антенна по п. 1, отличающаяся тем, что высокочастотный фидер (17) выполнен витым и размещен в тубусе (18), закрепленном вертикально в котловане (5).

3. УКВ антенна по п. 1, отличающаяся тем, что радиопрозрачный обтекатель (2) выполнен из полимерного материала.

4. УКВ антенна по п. 1, отличающаяся тем, что радиопрозрачный обтекатель (2) закреплен на верхних торцах упоров (12) винтовых домкратов (8) посредством вращающихся гайкаподшипников (20).