Аэростатная ультракоротковолновая антенна

Аэростатная ультракоротковолновая антенна

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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

Известны слабонаправленные ультракоротковолновые (УКВ) антенны, в том числе используемые на аэростатах или космических аппаратах (см., например, книги: Гильберг Л.А., Рябчиков Е.И. Советская космонавтика. - М.: Машиностроение, 1981; Пригода Б.А., Кокунько B.C. Антенны летательных аппаратов. - М.: Воениздат, 1979, с.130...157). Известные антенны представляют собой различного рода излучатели (шлейфовые, петлевые, штыревые и т.п.), установленные на корпусе контейнера, в котором размещена радиоаппаратура. 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 устройства.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная УКВ слабонаправленная антенна, описанная в книге Резникова Г.Б. Антенны летательных аппаратов. - М.: Сов. радио, 1967, с.228...290, рис.7.14. Антенна-прототип представляет собой прямолинейные проводники, расположенные над поверхностью металлического контейнера с размещенной в нем радиоаппаратурой. Проводники ориентированы вдоль продольной оси контейнера. Выход радиостанции, размещенной в контейнере, подключен к одному из концов каждого из проводников. То есть антенна-прототип представляет собой шлейфовый излучатель, установленный на корпусе контейнера, выполняющего роль противовеса.

Недостатком прототипа является его малый рабочий диапазон. Это объясняется тем, что система, образованная собственно корпусом контейнера, выполняющего роль противовеса и шлейфового излучателя, является острорезонансной. Входное сопротивление такой системы изменяется в широких пределах. Поэтому ее использование совместно с бортовой широкодиапазонной радиостанцией требует применения дополнительных блоков согласования (БС). Однако использование БС помимо увеличения массы и габаритов контейнера резко снижает КПД устройства в целом. Указанные недостатки практически исключают применение такой антенны для работы с диапазонными радиостанциями, поднимаемыми на аэростатах, зондах или на космических аппаратах.

Целью изобретения является повышение диапазона рабочих частот по согласованию аэростатной УКВ антенны.

Заявленное устройство расширяет арсенал средств данного назначения.

Поставленная цель достигается тем, что в известной аэростатной УКВ антенне, содержащей металлический контейнер (МК) с размещенной в нем радиостанцией (РСТ), подключенной к коаксиальному фидеру, и проводники, расположенные над МК параллельно его продольной оси, дополнительно в плоскости, перпендикулярной продольной оси МК, установлен противовес в виде металлического диска (МД) с радиально расходящимися от его кромки проводниками противовеса.

Каждый из проводников, расположенных над МК параллельно его продольной оси, одним концом подключен к МД, а другим концом - к основанию МК и, кроме того, с помощью короткозамыкающей (к.з.) перемычки с поверхностью МК. В полости одной из к.з. перемычек и части проводника, параллельно продольной оси МК, размещен коаксиальный фидер, который подключен центральным проводником к вершине МК, а внешней оболочкой - к центру МД. К поверхности МК, параллельно его продольной оси, подключены дополнительные П-образные проводники.

Указанная новая совокупность существенных признаков образует излучающую систему из шунтового несимметричного вибратора и противовеса, в которой в широком диапазоне частот происходит взаимная компенсация реактивных составляющих собственно излучателя, роль которого выполняет МК, и шунта, образованного корпусом МК и подключенным к нему и противовесу проводниками, что и обуславливает расширение диапазона частот без применения дополнительных БС.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Не выявлена также известность влияния преобразований, предусматриваемых отличительными существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного результата, что позволяет считать заявленное изобретение соответствующим условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленное устройство поясняется чертежами, где

на фиг.1 - общий вид заявленного устройства;

на фиг.2 - вариант размещения антенны на аэростате;

на фиг.3, 4 - результаты экспериментальных исследований заявленной антенны.

Аэростатная антенна, показанная на фиг.1, состоит из металлического контейнера 1, высотой Н, диаметром Д с размещенной в нем радиоаппаратурой, например радиостанцией 7, и проводников 2 диаметром d, установленных на расстоянии «в» над поверхностью МК 1 параллельно его продольной оси. По крайней мере один из проводников 2 выполнен трубчатым. Один конец каждого из проводников 2 подключен к основанию МК 1, а другой конец подключен к противовесу в виде МД 3 радиусом r, к кромке которого подключены радиально расходящиеся в плоскости МД 3 проводники противовеса 4. Расстояние между внешним концом каждого из проводников противовеса 4 и центром МД 3 равно R. Плоскость МД 3 перпендикулярна к продольной оси МК 1. На удалении h от основания МК 1 проводники 2 кондуктивно подключены к корпусу МК 1 дополнительными к.з. перемычками 5. В полости одной из к.з. перемычек (на фиг.1 левой, которая выполнена трубчатой) и полости соединенного с ней проводника 2 установлен коаксиальный фидер 6 от выхода бортовой радиостанции 7, размещенной внутри МК 1. Коаксиальный фидер 6 далее уложен на поверхности МД 3 и подключен внешней оболочкой к центру диска (точка «а»), а центральным проводником - к вершине контейнера 1 (точка «с»). К поверхности контейнера по его образующей подключены П-образные проводники 8 диаметром d¹ и высотой «к». Верхняя часть корпуса МК 1 выполнена конусообразной, с углом при вершине α. Соотношения размеров элементов конструкции выбраны в следующих пределах: Д/d=13÷15; d/в=0,28÷0,29; к/Д=0,44÷0,45; H/h=2,5÷2,6; R/λ_max=0,25÷0,3; d¹/d=0,7÷0,8; r/R=0,2÷0,22; H/λ_max=0,15÷0,16; α=70÷90°. Здесь λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона.

Заявленное устройство работает следующим образом. При включении передатчика 7 его вход через фидер 6 оказывается нагруженным на комплексное сопротивление Z_a, отнесенное к точкам «а»-«с». В свою очередь, Z_a есть результирующее сопротивление, обусловленное сопротивлением к.з линий, образованных проводниками 2 и корпусом МК 1 - Z_к.з. и сопротивлением вибратора Z_в, под которым понимается корпус МК 1. Причем Z_в подключено к точкам «а» - «с» непосредственно, a Z_в - с некоторым коэффициентом трансформации N². Коэффициент трансформации N², в свою очередь, зависит от соотношения диаметра проводников 2-d, эквивалентного диаметра корпуса контейнера Д_э и расстояния «в» между корпусом контейнера проводниками 2. Д_э - эквивалентный диаметр корпуса контейнера с учетом диаметра d¹ и высоты «к» П-образных проводников 8. Величина Z_к.з. зависит от места установки к.з. перемычек 5, т.е. от соотношения H/h. При оптимальном выборе соотношений элементов конструкции в широком диапазоне частот возможна взаимная компенсация реактивных составляющих импедансов Z_к.з. и N²Z_в и сохранение в этом диапазоне величины активной составляющей Z_а, при которой достигается высокая степень согласования без применения согласующих устройств. Суммарный импеданс Z_а зависит и от геометрических размеров диска 3 и подключенных к его кромкам проводников 4. Эти размеры должны выбираться из указанных выше соотношений. Экспериментальная отработка устройств показала, что наибольший, примерно 3-кратный диапазон рабочих частот с коэффициентом бегущей волны КБВ≥0,5 достигается при выборе соотношений геометрических размеров элементов конструкции в пределах, указанных выше. Вне этих пределов диапазон рабочих частот (с КБВ≥0,5) будет существенно меньшим. Однако при использовании более узкополосной бортовой радиостанции, например, работающей в 1,5-кратном диапазоне, можно обеспечить работу с КБВ≥0,5 при меньших размерах контейнера и других соотношениях размеров элементов конструкции, а именно Д/d=13÷15; d/в=0,21÷0,23; к/Д=0,35÷0,37; H/h=2,7÷2,8; R/λ_max=0,25÷0,3; d¹/d=0,9÷1,0; r/R=0,2÷0,21; H/λ_max=0,15÷0,155; α=70÷90°.

Конкретная реализация заявленного устройства определяется требуемым диапазоном рабочих частот f_min÷f_max и предельно допустимыми габаритами контейнера Д. Так аэростатная антенна, предназначенная для работы в диапазоне частот 40÷120 МГц, в которой использован цилиндрический контейнер с аппаратурой, имеющий высоту Н=1160 мм и диаметр Д=320 мм, имеет следующие размеры основных конструктивных элементов: d=22 мм; d¹=16 мм; h=450 мм; в=77 мм; α=90°; r=395 мм; R=1880 мм, к=142 мм. Антенна, предназначенная для работы в диапазоне 260÷390 МГц, в которой использован контейнер с размерами H=173 мм; Д=56 мм, имеет размеры: d¹=d=4 мм; h=63 мм; в=18 мм; α=90°; r=58 мм; R=290 мм, к=20 мм.

Экспериментальная проверка подтвердила теоретические предпосылки о возможности достижения положительного эффекта. Приведенные на фиг.3 результаты измерений КБВ (заявленная антенна - сплошная линия, прототип - пунктир) указывает на возможность работы в 3-кратном диапазоне при КБВ≥0,5, что соответствует примерно 3,5-кратному увеличению диапазона по отношению к прототипу. На фиг.4 - диаграммы направленности антенны в Е и Н плоскостях, подтверждающие возможность формирования ненаправленного излучения в азимутальной плоскости, что является обязательным требованием для антенн данного класса. Вариант размещения устройства на аэростате показан на фиг.2.

Таким образом, при использовании заявленного устройства по сравнению с прототипом можно достичь следующих технических преимуществ:

- расширения диапазона рабочих частот более чем в три раза без значительного увеличения массы устройства;

- повышения КПД, обусловленного сохранением высокой степени согласования без применения специальных блоков согласования;

- снижения массы устройства, т.к. для широкодиапазонной работы не требуется применения дополнительных блоков согласования.

Указанные преимущества дают основание ожидать повышения энергетики и надежности функционирования радио- и радиоретрансляционных линий связи с применением высокоподнятых аэростатных антенн.

Аэростатная ультракоротковолновая антенна, содержащая металлический контейнер с размещенной в нем радиостанцией, подключенной к коаксиальному фидеру, и проводники, расположенные над металлическим контейнером параллельно его продольной оси, отличающаяся тем, что в плоскости, перпендикулярной продольной оси металлического контейнера, установлен противовес в виде металлического диска с радиально расходящимися от его кромки проводниками противовеса, а каждый из расположенных над металлическим контейнером проводников одним концом подключен к металлическому диску, а другим концом - к основанию металлического контейнера, дополнительно поверхность металлического контейнера соединена с каждым из проводников короткозамыкающей перемычкой, а в полости одной из короткозамыкающих перемычек и части проводника, идущего к металлическому диску, размещен коаксиальный фидер, который подключен центральным проводником к вершине металлического контейнера, а внешней оболочкой к центру металлического диска, при этом к поверхности металлического контейнера параллельно его продольной оси подключены дополнительные П-образные проводники.