АЭРОСТАТНАЯ АНТЕННА НЧ ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована для излучения электромагнитных колебаний в мобильных радиопередающих комплексах, работающих на сверхдлинных (СДВ), длинных (ДВ) и средних (СВ) волнах.
Известны аэростатные антенны, в которых в качестве излучателя используется кабель-трос, удерживаемый аэростатом на заданной высоте.
Примером тросовой антенны является «Всенаправленная высотная антенна» (патент РФ №2099827 H01Q 1/28, опубликовано 20.12.1997 г.), представляющая собой однопроводную линию передачи, один конец которой нагружен на согласованную нагрузку и закреплен на аэростате, а другой конец связан с приемопередатчиком.
Известна также «Аэростатная антенна зонтичного типа» (патент РФ №2340986 H01Q 1/28, опубликовано 10.12.2008 г.), которая включает в себя аэростат с оболочкой сферической формы, флюгирующее аэродинамическое объемное тело, на поверхности размещается «зонтик» из радиально расходящихся проводников, лебедку и три привязных троса, один из которых выполнен с токопроводящей оплеткой (кабель-трос), а также противовес в виде радиально расположенных на поверхности земли проводников.
Однако, приведенные выше устройства сложны и тяжелы, и потому они не могут быть использованы с малообъемными аэростатами. И, кроме того, эти конструкции не достаточно ветроустойчивы.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемомой является «Аэостатная антенна» по патенту РФ №2320058, H01Q 1/36, H01Q 1/12, (опубликовано 20.03.2008 г.), принятая за прототип.
Структурная схема антенны-прототипа, подключенной к мобильному радиопередающему устройству, представлена на фиг.1, где обозначено:
6 - кабель-трос;
5 - аэростат;
8 - лучи электрического противовеса антенны;
9 - радиопередающее устройство;
13 - изолятор;
14 - электрическая емкостная нагрузка зонтичного типа с проводником;
15 - изоляторы;
16 - растяжки;
17 - анкеры (якоря);
На фиг.2 представлена конструкция типичного антенного провода (кабеля-троса) 6, используемого в прототипе, где обозначено:
1 - грузонесущий трос;
2 - токопроводящий слой;
3 - диэлектрическая оболочка;
4 - оплетка из синтетических нитей.
Антенна-прототип (фиг.2) содержит кабель-трос 6, аэростат 5 для подъема кабеля-троса 6 на требуемую высоту, изолятор 13, через который кабель-трос 6 соединен с аэростатом 5, электрическую емкостную нагрузку зонтичного типа с проводником 14 (в количестве не менее 3 шт.), изоляторы 15 и растяжки 16. Растяжки 16 прикреплены к анкерам (якорям) 17, укрепленным в грунте. На поверхности земли расположены проводники (лучи) 8 (в количестве не менее 3 шт.) электрического противовеса антенны. В пространстве лучи 8 противовеса расположены радиально расходящимися от точки их общего электрического соединения. Эта точка противовеса и нижний конец кабеля-троса 6 являются выводами антенны, предназначенными для ее подключения к радиопередающему устройству 9.
Типичный кабель-трос (фиг.2), применяемый в аэростатных антеннах с малообъемными аэростатами, состоит из грузонесущего троса (каната) 1, изготовленного из синтетических нитей, поверх которого расположены токопроводящий слой 2 и диэлектрическая защитная оболочка 3, например «Антенный провод» (патент SU №1290448 А1, МПК: H01Q 1/00), опубликовано 15.02.1987 г.
Грузонесущий трос 1 обеспечивает устойчивость кабеля-троса 6 и аэростата 5 к ветровым нагрузкам, токопроводящая оплетка 2 обеспечивает излучение радиоволн. Диэлектрическая оболочка 3 с оплеткой из синтетических нитей 4 выполняет функцию защиты от механико-климатического воздействия.
Следует заметить, что конструкция кабеля-троса антенны-прототипа характеризуется нерациональным равномерным распределением погонной массы токопроводящего слоя по длине несущего троса, приводящим к неоправданно завышенному весу кабель-троса.
Таким образом, недостатком антенны-прототипа является сложность конструкции и довольно большой вес, что не позволяет использовать малообъемный аэростат. Кроме того, сложность конструкции ухудшает эксплуатационные характеристики, например, время развертывания (свертывания) антенны, что, в основном, и определяет мобильность радиопередающего комплекса. При этом стабилизация аэростата при воздействии ветра обеспечивается только с направлений размещения растяжек, а адаптация к изменению направления ветра отсутствует.
Решаемая техническая задача заключается в оптимизации конструкции кабеля-троса путем рационального распределения токопроводящего слоя и оптимизации отношения масс токопроводящего слоя и остальных элементов кабеля-троса, а также в достижении оптимального аэродинамического качества аэростата.
Достигаемый технический результат - снижение веса кабеля-троса при сохранении мощности излучения; получение максимальной мощности излучения аэростатной антенны в заданном частотном диапазоне при фиксированном объеме аэростата в условиях изменения температуры окружающей среды и увеличения ветрового напора.
опт
Технический результат достигается за счет того, что в аэростатной антенне НЧ диапазона, включающей поддерживаемый в вертикальном положении малообъемным аэростатом кабель-трос, содержащий грузонесущий трос из синтетических нитей, покрытый токопроводящим слоем, диэлектрической защитной оболочкой и оплеткой из синтетических нитей; противовес в виде нескольких проводников, соединенных одним концом между собой, расположенных на поверхности земли и радиально расходящихся от точки их соединения, которая является одним электродом вывода антенны, а нижний конец кабеля-троса является другим электродом вывода антенны, подключаемым к радиопередающему устройству, согласно полезной модели, используется аэростат, значение аэродинамического качества которого находится в пределах от 1,0 до 1,8; дополнительно введена следящая система, с помощью которой формируется сигнал управления током возбуждения антенны как функцией ветрового напора и температуры окружающей среды; кабель-трос выполнен с изменяющейся по его длине погонной массой токопроводящего слоя при условии постоянства погонной мощности тепловыделения на всей протяженности проводящего слоя кабеля-троса, при этом оптимальное отношение массы токопроводящего слоя к массе остальных элементов конструкции кабеля-троса Ψ определяется из соотношения:
опт
1
max
1
max
Ψ≈1,07λ/λ-0,07 для λ/λ≥0,1,
1
где λ - длина волны, на которой при Ψ=1 допустимые по условиям отсутствия коронного разряда и по тепловому режиму мощности излучения равны;
max
λ - максимальная длина волны заданного диапазона.
Сущность полезной модели поясняется с помощью следующих чертежей:
На фиг.3 представлена конструкция антенного провода (кабеля-троса) 6, используемого в заявляемой антенне, где обозначено:
1 - грузонесущий трос;
2 - токопроводящий слой;
3 - диэлектрическая оболочка;
4 - оплетка из синтетических нитей.
На фиг.4 представлено оптимальное распределение сечения проводящего слоя антенного провода и его ступенчатая аппроксимация.
На фиг.5 представлена структурная схема заявляемой аэростатной антенны с подключенным к ней мобильным радиопередающим устройством, где обозначено:
5 - аэростат;
6 - кабель-трос;
7 - следящая система;
8 - лучи электрического противовеса антенны;
9 - радиопередающее устройство.
Заявляемая антенна (см. фиг.5) содержит кабель-трос 6, удерживаемый аэростатом 5 на требуемой высоте, электрический противовес в виде нескольких (как минимум трех) проводников (лучей) 8, соединенных одним концом между собой, расположенных на поверхности земли и радиально расходящихся от точки их соединения, которая является одним электродом вывода антенны, а нижний конец кабеля-троса 6 является другим электродом этого вывода, которым антенна с помощью лебедки (на чертеже не показано) подключается к радиопередающему устройству 9. Для подъема и спуска аэростата 5 используется средство газонаполнения (на чертеже не показано).
Вблизи передающей антенны размещена следящая система 7, предназначенная для регулирования величины тока возбуждения в антенне, которое своим выходом соединено с нижним концом кабеля-троса 6, а корпусом - с противовесом 8.
Тросовая антенна представляет собой несимметричный вибратор с длиной провода (токопроводящего слоя) L≤λ/4, где λ - длина рабочей волны.
С достаточной точностью распределение тока по длине несимметричного вибратора можно считать треугольным:
где I(x) - ток в точке, отстоящей на x метров от точки запитки;
0
I - ток в точке запитки;
x - расстояние от точки запитки, может иметь значения от 0 до L.
Отличительными особенностями тросовой антенны является малый диаметр и сравнительно невысокая теплостойкость. Как правило, диаметр кабеля-троса составляет несколько миллиметров, а допустимая рабочая температура - 85°C.
Достижимая мощность излучения ограничивается тремя факторами:
- предельно допустимой мощностью, выделяемой в проводящем слое антенны, т.к. низкая температура плавления синтетического материала, используемого в конструкции кабеля-троса, ограничивает допустимую мощность проводящей части;
- возможностью возникновения коронного разряда;
- изменением формы антенны при ветровом напоре.
Рассмотрим эти ограничения.
Условие теплового баланса при излучении сигнала имеет следующий вид:
где P(x) - погонная мощность тепловыделения в точке x;
ρ - удельное сопротивление проводящего слоя;
S(x) - площадь сечения проводящего слоя;
M
γ - плотность проводящего слоя;
K
α - конвективный коэффициент теплоотдачи;
ПР
Т - температура проводящего слоя;
ОС
Т - температура окружающей среды (воздуха);
П
m(x) - погонная масса проводящего слоя в точке x.
П
Оптимальные распределения площади сечения проводящего слоя S(x) и погонной массы m(x) при треугольном распределении тока имеют вид:
0
где S - площадь сечения проводящего слоя при x=0.
П0
где m - погонная масса проводящего слоя при x=0.
Данное распределение обеспечивает одинаковое погонное тепловыделение и минимальную массу проводящего слоя антенны.
Массу производящего слоя можно вычислить по формуле:
Для случая равномерного распределения:
П
m=С=const,
где C - погонная масса в начале антенны.
Тогда масса проводящего слоя:
Для случая квадратичного распределения погонная масса и масса проводящего слоя:
Оценив отношение значений (6) и (8), получим:
.
Таким образом, оптимальное распределение проводящего слоя позволит уменьшить его массу в 3 раза.
Но плавное изменение сечения проводящего слоя (погонной массы) сложно реализовать технологически, поэтому в целях упрощения реализации целесообразно использовать кусочно-постоянную аппроксимацию оптимального распределения (см. фиг.4),
Ступенчатую функцию можно записать в виде:
0
n
где i=0, 1 …n, x=0, x=L;
n - количество ступеней аппроксимации оптимального распределения погонной массы.
Масса токопроводящего слоя в этом случае определяется выражением:
0
где m - масса проводящего слоя при оптимальном распределении.
i
i+1
i
i
Значение погонной массы в промежутках между точками x, и x;, соответствует погонной массе в точке x, а значения x выбираются, исходя из минимизации функции:
Конструкция кабеля-троса 6 для случая ступенчатого распределения проводящего слоя при трех ступенях аппроксимации показана на фиг.3.
На поверхности грузонесущего троса 1, выполненного из синтетических нитей, размещается токопроводящая оплетка 2 со ступенчатым изменением числа проводников, покрытая диэлектрической защитной оболочкой 3 и оплеткой 4 из синтетических нитей. Распределение токопроводящего слоя в оплетке 2 реализуется путем последовательного уменьшения числа проводников от ступени к ступени, при этом диаметр токопроводящего слоя сохраняется неизменным.
Грузонесущий трос 1 обеспечивает устойчивость кабеля-троса 6 и аэростата 5 к ветровым нагрузкам, токопроводящая оплетка 2 обеспечивает излучение радиоволн. Диэлектрическая оболочка 3 с оплеткой из синтетических нитей 4 выполняет функцию защиты от механико-климатического воздействия.
Результаты расчетов показывают, что ступенчатое распределение приводит к увеличению массы токопроводящего слоя 2 относительно случая квадратичного (оптимального) распределения. Так, для четырех ступеней масса увеличивается в 1,38 раза, но все же она меньше массы проводящего слоя при равномерном (традиционном) распределении более, чем в 2 раза.
Дальнейшее увеличение числа ступеней аппроксимации нецелесообразно.
Мощность излучения при выполнении условия теплового баланса определяется по формуле:
Σ
где R - сопротивление излучения.
Допустимое значение тока из условия теплового баланса (2):
Σ
т.е. P пропорциональна массе проводящего слоя.
Оптимальное распределение эквивалентно увеличению массы проводящего слоя при равномерном распределении в 3 раза, что позволяет увеличить мощность излучения также в 3 раза. При ступенчатой аппроксимации (для четырех ступеней), мощность излучения может быть увеличена в 2 раза относительно равномерного распределения.
Масса поднимаемого полезного груза (кабеля-троса 6) пропорциональна объему аэростата 5. При фиксированном объеме аэростата 5 она также является фиксированной величиной. Масса кабеля-троса 6 складывается из двух частей: массы токопроводящего слоя 2, определяющего мощность излучения, и массы остальных элементов конструкции, обеспечивающих его прочность (грузонесущего троса 1, диэлектрической защитной оболочки 3 и оплетки 4 из синтетических нитей).
Очевидно, что при фиксированной массе кабеля-троса 6, величина излучаемой мощности зависит от отношения массы проводящего слоя 2 к массе остальных элементов его конструкции (Ψ).
Σmax
Максимально допустимая мощность излучения P с учетом ограничений по тепловому режиму и коронному разряду равна:
ΣTmax
ΣKmax
где P и P - максимально допустимые мощности по тепловому режиму и коронному разряду соответственно.
опт
Значение Ψ, при котором достигается максимальная мощность излучения и, в то же время, обеспечивается необходимая прочность кабеля-троса, является оптимальным (Ψ).
опт
Величина Ψ зависит от длины волны следующим образом:
опт
1
max
1
max
Ψ≈1,07λ/λ-0,07 для λ/λ≥0,1
max
где λ - максимальная длина волны рабочего диапазона;
1
λ - длина волны, на которой при Ψ=1 предельно допустимые по условиям теплового баланса и коронного разряда мощности излучения равны.
опт
Наименьшие изменения излучаемой мощности в диапазоне реализуются при выборе Ψ на нижней частоте диапазона.
n
В таблице 1 приведены значения мощностей излучения оптимизированного по Ψ варианта антенны и варианта с Ψ=1, обеспечивающего максимальную мощность на длинах волн, где λ - длина волны, на которой имеет место равенство максимально допустимых по тепловому балансу и коронному разряду мощностей излучения.
Таблица 1
<img file="00000018.tif" he="13" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
1,88
3,2
5,75
8,52
Ψ<sub>опт</sub>
1
0,5
0,25
0,1
0,05
<img file="00000019.tif" he="13" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
3,16
6,94
11,1
13,1
Как видно из таблицы, выигрыш от оптимизации весьма существенный, уже при  он примерно равен 7.
Это достигается весьма небольшой потерей мощности на верхних частотах.
A
Воздействие ветра оказывает существенное влияние на величину допустимой мощности излучения, в первую очередь за счет уменьшения действующей высоты антенны из-за сноса аэростата и отклонения вибратора от вертикали. Величина отклонения зависит от аэродинамического качества аэростата K и ветрового напора. В результате мощность излучения уменьшается.
Аэродинамическое качество аэростата определяется соотношением:
y
x
где C и C - коэффициенты в формулах аэродинамических сил, действующих на аэростат:
лобовое сопротивление ;
подъемная сила ,
где  - скоростной напор;
V - скорость ветра;
об
V - объем аэростата;
в
γ - плотность воздуха.
А
Таким образом, при фиксированном объеме аэростата, единственным параметром, подлежащим оптимизации, является его аэродинамическое качество К. (или, что же самое, угол атаки).
к
В соответствии с условием теплового баланса (2), мощность пропорциональна разности температур кабеля-троса 6 и окружающей среды. Кроме того, она пропорциональна конвективному коэффициенту теплоотдачи α, который растет с увеличением ветрового напора. Таким образом, с увеличением разности температур (понижением температуры окружающей среды) и увеличением ветрового напора, величина тока возбуждения в антенне, а, значит, и мощность излучения могут быть увеличены.
Это реализуется с помощью специальной следящей системы 7, содержащей средства для измерения температуры окружающей среды и скорости ветра, и управляющей величиной тока возбуждения антенны (выходным сигналом передающего устройства 9) как некоторой функцией ветрового напора и температуры окружающей среды:
ОС
ОС
где I(q, Т) - ток возбуждения при ветровом напоре q и температуре среды Т;
O
ОС
ОС
I - ток возбуждения при q=0 и Т=maxТ;
ОС
ОС
Ф(q, Т) - функция управления током; Ф(0, maxТ)=1.
Расчеты, проведенные с учетом ветрового воздействия на аэростатную антенну, дали следующие результаты:
АОПТ
- оптимальные значения аэродинамического качества К находятся около единицы для ограничения по коронному разряду и ~1,8 для ограничения по тепловому балансу;
- закон изменения тока возбуждения следующий:
при условии
ос
ос
где I(q, Т) - ток возбуждения при ветровом напоре q и Т;
0
oc
ос
I - ток возбуждения при q=0 и T=maxТ;
П
Т - температура проводящего слоя (кабеля-троса);
ОС
Т - температура окружающей среды;
к
α - конвективный коэффициент теплоотдачи.
Отметим, что аэродинамическое качество аэростата, близкое к требуемому, могут обеспечить серийно выпускаемые аэростаты фирмы «Авгур», например, аэростат «М-18».
0
0
Учитывая, что при q→∞ уменьшение мощности излучения составляет примерно два раза (из-за уменьшения действующей высоты антенны), целесообразно обеспечивать изменение тока возбуждения в диапазоне не более, чем от I до ~1,4I.
Σопт
опт
Σоптопт
Зависимость излучаемой мощности от ветрового напора приведена на фиг.6, где P - мощность излучения для кабеля-троса 6 с оптимальными распределением проводящего слоя и отношением Ψ, а P - то же, но с учетом управления током возбуждения антенны.
2
2
Σоптопт
Σопт
Как видно из графика, уже при значении q=0,5 н/м (что соответствует скорости ветра 1 м/сек) P превосходит P. Вероятность реализации условий, когда q≥0,5 н/м достаточно велика, поэтому излучаемая мощность полностью оптимизированного устройства практически всегда превосходит мощность исходного варианта более, чем в два раза.
Эффективность работы устройства подтверждают следующие полученные результаты:
- оптимальное распределение проводящего слоя позволяет увеличить исходную мощность излучения в 3 раза;
- ступенчатая аппроксимация оптимального распределения проводящего слоя при четырех ступенях аппроксимации позволяет увеличить исходную мощность излучения в два раза;
- оптимизация отношения массы проводящего слоя к массе остальных элементов кабеля-троса позволяет существенно расширить рабочий диапазон в сторону нижних частот; выигрыш по излучаемой мощности на нижней границе достигает 4 и более раз;
А
- управление током возбуждения антенны по климатическим условиям при оптимальном К для любых конструкций кабеля-троса позволяет увеличить мощность излучения относительно исходной в два раза.
В то же время, использование полезной модели позволяет уменьшить массу антенны при сохранении мощности излучения, что дает возможность уменьшить газовый объем аэростата, существенно снизить стоимость аэростатной антенны и улучшить ее эксплуатационные характеристики.