Самолетная антенная система
AIRBORNE ANTENNA SYSTEM

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для приема и передачи декаметрового диапазона радиоволн на самолетах, а также может быть использовано как многофункциональный ретранслятор с малыми задержками сигналов относительно спутниковых систем. Обеспечение особенно эффективной передачи радиосигналов непреходящей инженерной задачей. Эффективность работы приемопередающих антенн зависит от многих параметров, важнейшими из которых является коэффициент усиления антенны и ее согласование с питающим ее фидером, передатчиком или приемником. Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз должна быть увеличена входная мощность при сравнении с направленной антенной с потерями на абсолютно ненаправленной гипотетической антенне без потерь при условии постоянной величины напряженности поля в точке наблюдения. Согласование обеспечивается в том случае, когда сопротивление антенны и волновое сопротивление фидера равны. Чем меньше реактивные составляющие и чем ближе активное входное сопротивление к волновому сопротивлению фидерной линии, тем лучше антенна согласована. Такие условия возникают при длинах активных вибраторов антенн, соотносимых с кратностью четвертям длин используемых радиоволн. Для обеспечения эффективности излучения используются различные технические решения, в том числе в наземных установках путем утолщения вибраторов или разветвлением их окончаний в качестве емкостных включений, применение которых в условиях размещения на летательных аппаратах особенно затруднительно.
Для повышения эффективности работы в декаметровом диапазоне радиоволн известна самолетная жестко-выпускная антенна (А.С. СССР №113586, опубл.1958). В известном техническом решении для изменения длины активной части проводника при настройке жестко-выпускной антенны производится, в воздухе или на земле, с пульта выпуска антенны, подбор нормированной протяженности вибратора на рабочую частоту передатчика с помощью электромеханизма с диэлектрическими барабанами перемотки замкнутого кольца из последовательно соединенных антенного провода и стального троса, при дополнении друг друга.
Недостатком известной антенны является ее установка непосредственно на фюзеляж самолета с использованием кронштейна оперения и дополнительной антенной текстолитовой стойки, с расстоянием, обеспечивающим работу только в ограниченной полосе рабочих частот и пропуском движущейся неиспользуемой на выпуске протяженности кольца значительной протяженности с размещением внутри фюзеляжа.
Известны буксируемые тросовые антенны, выпускаемые из приспособлений фюзеляжей специальных самолетов в России ТУ-142 MP и в США Е-6 Mercury, с мощными передающими комплексами, используемыми для ретрансляции сигналов оперативной связи с подводными лодками, с излучением в диапазонах сверхдлинных-длинных радиоволн (https://ru.wikipedia.оrg/wiki-Самолеты, http://janto.ru/repository/014/01.html). Недостатком известных антенн является низкий КПД и их применение только на тяжелых самолетах с мощными энергетическими установками.
Известна выпускаемая самолетная антенна (А.С. СССР №1160492, опубл. 07.06.1985 г.). Антенна содержит излучатель, выполненный из провода, выпускаемую изоляционную трубку, установленную в самолете, через которую пропущен трос, одним концом прикрепленный к лебедке, установленной в самолете, а другим к стабилизирующему конусу, который для повышения надежности раскрытия-складывания при расширении диапазона рабочих частот путем увеличения количества проводов излучателя в нее введены диск и втулка, которые нанизаны на трос между лебедкой и выпускной изоляционной трубкой и соединены отрезком троса. Недостатками известной выпускаемой самолетной антенн являются ненадежность складывания из-за усложненной конструкции и малый диапазон расширения полосы рабочих частот только за счет увеличения проводов излучателя.
Известна самолетная антенная система (Пат. РФ №158290, опубл. 27.12.2015 г.) Самолетная антенная система состоит из двулучевой выпускной антенны, лебедок для выпуска антенны и пульта управления, длинный луч антенны изолирован от корпуса самолета и подсоединен к бортовому передатчику, короткий луч соединен с корпусом самолета и общей клеммой передатчика. В ней введены блок автоматического управления антенной, состоящий из блока памяти и управляющего блока, блок управления лебедками и преобразователи перемещений, при этом блок автоматического управления антенной подключен к пульту управления и соединен с блоком управления лебедками, преобразователи перемещений подключены к лебедкам и блоку управления лебедками.
Недостатками известной антенной системы являются ненадежность подключения к бортовому передатчику длинного луча антенны, изолированного от корпуса самолета, при перестройке в диапазоне двигающегося через изолированный ввод, с коммутацией изменяющихся каждый раз участков подключения. Кроме этого усложнено использование двухлучевого антенного устройства при сохранении угла между лучами антенны, требующее одновременно с настройкой антенны и маневрирования скоростью полета самолета при смене частот. Дополнительно к этому, несмотря на сложность устройства и эксплуатации одновременно регулируемых длин лучей при перестройке, антенна имеет пониженный коэффициент усиления при выпускаемом вибраторе, протяжением в пол рабочей длины радиоволны.
Задачей изобретения является разработка упрощенной антенной системы повышенной эффективности излучения для приема и передачи радиоволн декаметрового диапазона при установке на самолетных, вертолетных и беспилотных летательных аппаратах.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении электрической и механической надежности самолетной антенной системы при сохранении оптимально низкого значения коэффициента стоячих волн (КСВ).
Для достижения указанного технического результата в самолетной антенной системе, включающей выпускную антенну, блок автоматического управления антенной, лебедку выпуска антенны, блок управления лебедкой, соединенный с блоком автоматического управления антенной, бортовой передатчик, выпускная антенна с двумя разнесенными друг от друга концами, один из которых изолирован от корпуса самолета, другой соединен с корпусом самолета, общей клеммой передатчика и лебедкой выпуска антенны, в рабочем положении антенна образует петлю путем выпуска с помощью лебедки соединенного с корпусом самолета конца антенны, при этом для формирования петли антенна снабжена грузом с возможностью его свободного скольжения вдоль антенны, для контроля соответствия длины петли антенны рабочей частоте к бортовому передатчику и к блоку автоматического управления антенной подключено устройство измерения КСВ, через которое в свою очередь к бортовому передатчику подсоединен изолированный конец антенны.
Изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
На фиг. 1 представлен эскиз самолетной антенной системы, на фиг. 2 - диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости, на фиг. 3 - изменение КСВ в полосе 4 МГц со средней частотой 19 МГц, на фиг. 4 - изменение КСВ в полосе 2 МГц со средней частотой 6 МГц, на фиг. 5 - изменение КСВ в полосе 400 кГц со средней частотой 3 МГц.
Самолетная антенная система содержит выпускную антенну 1, блок 2 автоматического управления (БАУ 2) антенной 1, лебедку 3 выпуска антенны 1, блок 4 управления лебедкой (БУЛ), соединенный с БАУ 2 антенной 1, бортовой передатчик 5 (фиг. 1). У антенны 1 один конец 6 изолирован от корпуса 7 самолета (т.е. не заземлен), другой конец 8 антенны 1 соединен с корпусом 7 самолета (т.е. заземлен), общей клеммой передатчика 5 и лебедкой 3 выпуска антенны 1. Оба конца 6 и 8 антенны разнесены друг от друга. В рабочем положении антенна 1 образует петлю путем выпуска с помощью лебедки 3 соединенного с корпусом 7 самолета конца 8 антенны (фиг. 1), при этом для формирования петли антенна 1 снабжена грузом 9 с возможностью его свободного скольжения вдоль нее (вес груза 9 не более 5 кг). Для контроля соответствия длины петли антенны 1 (максимальная высота петли может составлять 50 метров, а общая длина петли - 100 метров) рабочей частоте к бортовому передатчику 5 подключено устройство 10 измерения КСВ, которое также подключено к БАУ 2 антенной 1. При этом изолированный конец 6 антенны 1 через устройство 10 измерения КСВ подсоединен к бортовому передатчику 5. Блок 4 управления лебедкой (БУЛ) соединен с БАУ 2 антенной 1.
Работа самолетной антенной системы осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии петля антенны 1 втянута лебедкой 3 в корпус 7 самолета с набивкой проволочного полотна антенны 1, при этом остающийся снаружи участок антенны 1 имеет гидрофобное покрытие от обледенения в неблагоприятных условиях полета. Для осуществления сеансов радиосвязи или ретрансляции радиосигналов, принятых от спутниковых систем связи или оптоэлектронных, а также радиосредств прямой видимости, для работы на заданной длине радиоволны с помощью лебедки 3, управляемой блоком 4 управления лебедкой, и груза 9, с корректурой от БАУ 2 антенной 1 по заданной длине радиоволны от бортового передатчика 5 на расстояние соизмеримое с 0,25 рабочей длины волны от корпуса 7 самолета развертывается петля антенны 1. При развернутой петле в рабочее состояние, от БАУ 2 антенной 1 включается устройство 10 измерения КСВ, по результатам измерений с которого БАУ 2 антенной 1 через БУЛ 4 регулирует длину выпуска петли антенны 1 по минимальному КСВ. При нахождении минимального КСВ с управлением от БАУ 2 антенной 1 механически фиксируют длину петли антенны, при этом отключается устройство измерения КСВ 10 и подключается выход бортового передатчика 5. Антенная система готова к работе. После окончания работы через БАУ 2 антенной 1 и БУЛ 4 антенна приводится в исходное положение.
Благодаря тому, что в самолетной антенной системе применена только одна лебедка для заземленного (т.е. соединенного с корпусом 7 самолета) конца 8 антенны 1, существенно повышена механическая надежность в целом системы. В то же время, благодаря неподвижности изолятора незаземленного (т.е. изолированного от корпуса 7 самолета) конца 6 антенны 1, повышена электрическая надежность системы при сохранении оптимально низкого КСВ.
Предложенная самолетная антенная система реализует несимметричный шлейф-вибратор Пистолькорса с треугольной формой петли-шлейфа при использовании в качестве противовеса корпуса 7 самолета. Результаты компьютерного моделирования с использованием программы MMANA-GAL полностью подтверждают теоретические доводы при анализе данных по фиг. 3 - 4 на компьютерной модели антенной системы летательных аппаратов для рабочих частот 19 и 6 МГц при высоте петли антенны соответственно 6,5 м и 25 м, то есть на частотах более коротких радиоволн декаметрового диапазона, соизмеримых в приближении с размерами летательного аппарата. Кроме этого, является и достаточным разнос в основании треугольника. На более длинных радиоволнах, на нижней частоте декаметрового диапазона 3 МГц, высота петли 50 м (фиг. 5) предложенная антенная система также эффективна.