БОРТОВАЯ АНТЕННА

Предлагаемая полезная модель относится к области радиотехники, в частности к антеннам диапазона метровых волн, и может быть использована при создании бортовых антенн аппаратуры посадки и навигации, устанавливаемой на самолетах, вертолетах и на других летающих объектах различного назначения.
Известно, что для бортовых антенн, работающих с аппаратурой посадки (метрового и дециметрового диапазонов волн), и в целом ряде случаев, работающих с аппаратурой ближней навигации, наилучшим местом их размещения является носовая часть объекта (самолета, вертолета, другого летающего объекта), а при наличии на объекте носового диэлектрического обтекателя радиолокационной станции (РЛС) - пространство под обтекателем или его поверхность. При таком размещении уверенно обеспечивается обзор передней полусферы пространства вокруг объекта, и бортовая антенна в наименьшей степени восприимчива к высокочастотным сигналам наземных радиомаяков, отраженных от конструкций объекта (фюзеляжа, крыльев) и приводящих к ошибке пилотирования Это особенно важно для режима посадки - одного из наиболее ответственных этапов полета.
Однако, установка бортовых антенн под носовым обтекателем РЛС требует решения целого ряда вопросов, связанных как с размещением их в ограниченном пространстве под обтекателем, так и со взаимовлиянием этих антенн и антенны РЛС, которая вместе с механизмом ее установки занимает значительный объем пространства под обтекателем.
Влияние со стороны антенны РЛС на бортовые антенны вызывает искажения их диаграмм направленности (ДН), поляризационных характеристик, ухудшение энергетических параметров. Установка бортовых антенн в рабочей зоне РЛС приводит к искажению информации, поступающей от этой станции. Поэтому, перед разработчиками антенн стоит задача создания таких бортовых антенн, которые при размещении в ограниченном пространстве под носовым обтекателем не нарушали бы нормальное функционирование РЛС и при этом имели бы электрические параметры, необходимые для обеспечения нормальной работы бортовой аппаратуры посадки и навигации.
Снижение влияния со стороны бортовой антенны может быть достигнуто размещением ее вне рабочей зоны РЛС (вне сектора углов сканирования луча антенны РЛС в горизонтальной плоскости и в вертикальной продольной плоскости), а в ряде случаев - созданием бортовой антенны, конструкция которой была бы «прозрачна» для сигналов РЛС. Снижение влияния со стороны антенны РЛС может быть достигнуто пространственным разносом бортовой антенны и антенны РЛС, а также созданием специальной схемы построения бортовой антенны. Однако, ограниченное пространство под обтекателем не только не позволяет сколько-нибудь заметно разнести эти антенны, но и требует значительного сокращения размеров бортовой антенны в сравнении с ее резонансными размерами.
Известна бортовая антенна (Л.1) аппаратуры посадки и навигации дециметрового диапазона волн (726÷1001 МГц), выполненная по авторскому свидетельству №212341 (Л.2). Антенна состоит из двух активных несимметричных вибраторов длиной λср/4, установленных на торцевой части цилиндрического экрана, и пассивного вибратора между ними (λcp - средняя длина волны рабочего диапазона частот). Питание активных вибраторов - противофазное, осуществляется линией питания. Антенна, как правило, устанавливается на гражданские самолеты (пассажирские и транспортные), которые оборудованы РЛС, предназначенной, в основном, для определения метеоусловий полета-Рабочая зона таких метео-РЛС определяется углами сканирования луча антенны РЛС: ±90° в горизонтальной плоскости и ±25° в вертикальной продольной плоскости относительно направления полета (НП). На самолете антенна размещается в нижней или в верхней части пространства под обтекателем перед антенной РЛС, на возможно большем от нее удалении, но так, чтобы находиться вне рабочей зоны метео-РЛС при сканировании луча антенны этой станции в вертикальной плоскости в секторе углов ±25° от НП. Такая установка возможна лишь при достаточно больших размерах обтекателя РЛС, то есть когда его размеры в плоскости установки антенны РЛС значительно превышают размер самой антенны РЛС. Если же условия установки под обтекателем таковы, что бортовая антенна оказывается в рабочей зоне метео-РЛС, то экран бортовой антенны выполняется в виде сетки, «прозрачной» для сигналов метео-РЛС (Л.3), и поэтому бортовая антенна не оказывает заметного влияния на работу этой станции.
Техническое решение по а.с. №212341, использовано и в бортовой антенне аппаратуры посадки и навигации диапазона метровых волн (108÷118 МГц) на самолетах Ан-24, Ан-26, Ил-62 и других (Л.1). Активные несимметричные вибраторы и пассивный вибратор изготавливаются в виде полосок из латунной ленты и устанавливаются на внутренней поверхности носового диэлектрического обтекателя РЛС в нижней (в верхней) его части. Противофазное питание активных несимметричных вибраторов осуществляется линией питания, состоящей из двух отрезков коаксиального кабеля и тройника. Продольные размеры вибраторов не менее 0,15 λср (400 мм). Хотя при таких размерах вибраторов их концевые участки попадают в рабочую зону метео-РЛС, установленных на этих самолетах (то есть в сектор углов в вертикальной продольной плоскости ±25° относительно НП), но заметного влияния на работу этих станций они не оказывают.
На боевых самолетах устанавливаются РЛС специального назначения, у которых:
- размер антенны сравним с размерами обтекателя в плоскости установки этой антенны;
- рабочая зона (угол сканирования луча антенны РЛС) в вертикальной продольной плоскости составляет ±70° относительно НП;
- повышены требования к «прозрачности» рабочей зоны. Размещение в рабочей зоне таких РЛС каких-либо металлических элементов приведет к серьезным нарушениям в работе этих станций, что недопустимо. Поэтому рассмотренные выше бортовые антенны и дециметрового диапазона волн, и диапазона метровых волн (MB), выполненные по а.с. №212341, не могут быть установлены под одним обтекателем с такими РЛС.
Известна бортовая антенна аппаратуры посадки и навигации диапазона MB (Л.1), выполненная по а.с. №367809 (Л.4). Антенна состоит из двух плоскостных Σ-образных вибраторов, устанавливаемых на боковых поверхностях носового диэлектрического обтекателя РЛС, то есть по обе стороны от антенны РЛС. Продольный размер вибраторов этой бортовой антенны не менее λср/4 (600 мм). Питание вибраторов - противофазное, осуществляется линией питания, состоящей из двух отрезков коаксиального кабеля и тройника. Каждый вибратор антенны состоит из отрезков металлической проволоки диаметра 1,5 мм или из узких металлических полосок, образующих «окна» для сигналов метео- РЛС. Подобные антенны установлены на многих типах самолетов (Як-42, Ил-86, Ил-96, Ту-204, Бе-200 и других), оборудованных метео-РЛС. Однако, так как вибраторы антенны (металлические элементы вибраторов) находятся в рабочей зоне РЛС (то есть в секторе углов в горизонтальной плоскости ±90° относительно НП), то установка и этих бортовых антенн под одним носовым обтекателем с РЛС специального назначения на боевых самолетах или других летающих объектах также невозможна.
Таким образом, указанные выше преимущества установки бортовых антенн аппаратуры посадки и навигации под носовым диэлектрическим обтекателем РЛС могут быть реализованы лишь при таком сокращении габаритов бортовых антенн диапазона MB, которое позволит устанавливать их вне рабочей зоны РЛС специального назначения, размещаемой под этим же обтекателем. Однако, сокращение размеров бортовых антенн по сравнению с резонансными размерами приводит, как известно, к ухудшению их электрических параметров - к нарушению согласования с фидерным трактом в требуемой полосе рабочих частот, к снижению коэффициента усиления, что в конечном счете, нарушает нормальное функционирование сопрягаемой бортовой аппаратуры.
Основной технической задачей предлагаемой полезной модели является создание бортовой антенны диапазона MB с малыми продольными размерами, электрические параметры которой соответствуют предъявляемым требованиям. Создание такой бортовой антенны позволило бы разместить ее вне рабочей зоны РЛС и тем самым не нарушить работу этой станции, а также обеспечить нормальное функционирование сопрягаемой аппаратуры посадки и навигации.
Наиболее близким техническим решением - прототипом является рассмотренная антенна диапазона MB, выполненная по а.с. №212341, размеры которой не позволяют устанавливать ее вне рабочей зоны РЛС различного назначения.
Существо предложенного технического решения поясняется на примере антенны в полосковом исполнении.
Поставленная техническая задача полезной модели достигается тем, что в антенне, состоящей из двух активных несимметричных вибраторов, запитанных в противофазе и расположенных на одной стороне диэлектрической платы, пассивного вибратора, установленного между активными несимметричными вибраторами на этой же стороне диэлектрической платы, и линии питания, состоящей из двух отрезков коаксиального кабеля и тройника, центральный выход которого является выходом антенны, по обеим сторонам каждого активного несимметричного вибратора и параллельно ему устанавливаются проводники, при этом одни концы проводников, установленных по одну (внутреннюю) сторону от активных несимметричных вибраторов, электрически соединены с пассивным вибратором, а одни концы проводников, установленных по другую (внешнюю) сторону от активных несимметричных вибраторов, электрически соединены с этими вибраторами, вторые концы этих проводников электрически соединены с линией питания.
Возможны и другие варианты реализации предложенного технического решения, которые приведены ниже:
Параллельно проводнику, установленному на одной стороне диэлектрической платы, один конец которого электрически соединен с активным несимметричным вибратором, установленным на этой же стороне диэлектрической платы, а второй конец электрически соединен с линией питания, дополнительно может быть установлен второй проводник, один конец которого электрически соединен с тем концом проводника, установленного на той же стороне диэлектрической платы, но по другую (внутреннюю) сторону от активного несимметричного вибратора, который электрически соединен с пассивным вибратором, установленным на той же стороне диэлектрической платы.
Пассивный вибратор и проводник, установленный по одну (внутреннюю) сторону от каждого активного несимметричного вибратора параллельно ему, и один конец которого электрически соединен с пассивным вибратором, могут быть расположены на стороне диэлектрической платы, обратной той, на которой расположены активные несимметричные вибраторы и параллельные им проводники, одни концы которых электрически соединены с активными несимметричными вибраторами, а вторые концы электрически соединены с линией питания.
При расположении на обратной стороне диэлектрической платы пассивного вибратора и проводников, одни концы которых электрически соединены с пассивным вибратором, проводники эти могут быть установлены параллельно и симметрично оси зазора между расположенными на другой стороне диэлектрической платы активными несимметричными вибраторами и параллельными им проводниками, одни концы которых электрически соединены с этими вибраторами, а вторые концы электрически соединены с линией питания, при этом ширина каждого проводника расположенного на обратной стороне диэлектрической платы и один конец которого электрически соединен с пассивным вибратором, равна или больше ширины этого зазора.
Между каждым из двух активных несимметричных вибраторов, расположенным на одной стороне диэлектрической платы, и параллельным ему проводником, расположенным на этой же стороне диэлектрической платы, один конец которого электрически соединен с пассивным вибратором, расположенным на той же стороне диэлектрической платы, может быть введен элемент настройки.
Каждый из двух идентичных элементов настройки может быть выполнен в виде плоского прямоугольного проводника, расположенного на одной стороне прямоугольного диэлектрического основания, которое другой стороной устанавливается на активный несимметричный вибратор и на параллельный ему проводник, один конец которого электрически соединен с пассивным вибратором, при этом плоский прямоугольный проводник на диэлектрическом основании располагается параллельно и симметрично оси зазора между активным несимметричным вибратором и параллельным ему проводником, один конец которого электрически соединен с пассивным вибратором, а ширина плоского прямоугольного проводника на диэлектрическом основании равна или больше ширины этого зазора.
Каждый из двух идентичных элементов настройки, выполненный в виде плоского прямоугольного проводника, расположенного на одной стороне диэлектрического основания, этой стороной основания может быть установлен на сторону диэлектрической платы, обратную той, на которой установлены активные несимметричные вибраторы, параллельные им проводники и пассивный вибратор, при этом плоский прямоугольный проводник на диэлектрическом основании устанавливается параллельно и симметрично оси зазора между активным и несимметричным вибратором и параллельным ему проводником, один конец которого электрически соединен с пассивным вибратором, а ширина плоского прямоугольного проводника на диэлектрическом основании равна или больше ширины этого зазора.
Каждый из двух идентичных элементов настройки, выполненный в виде плоского прямоугольного проводника, расположенного на одной стороне диэлектрического основания, обратной стороной этого основания может быть установлен на сторону диэлектрической платы, обратную той, на которой установлены активные несимметричные вибраторы, параллельные им проводники и пассивный вибратор, при этом плоский прямоугольный проводник на диэлектрическом основании устанавливается параллельно и симметрично оси зазора между активным несимметричным вибратором и параллельным ему проводником, один конец которого электрически соединен с пассивным вибратором, а ширина плоского прямоугольного проводника на диэлектрическом основании равна или больше ширины этого зазора.
Каждый из двух идентичных элементов настройки, может выполнен в виде отрезка коаксиального кабеля, центральный проводник которого электрически соединен с активным несимметричным вибратором, а наружный проводник электрически соединен с тем концом проводника параллельного активному несимметричному вибратору, который электрически соединен с пассивным вибратором.
Приведенные варианты реализации предложенного технического решения, поясняются графическими изображениями бортовой антенны на фиг.1÷8.
На фиг.1 показана антенна, состоящая из двух активных несимметричных вибраторов 1, питаемых в противофазе линией питания 2, состоящей из двух отрезков коаксиального кабеля и тройника, и пассивного вибратора 3, расположенного между двумя активными несимметричными вибраторами 1, в которую введены проводники 4 и 5, установленные по обе стороны от каждого активного несимметричного вибратора 1 и параллельно ему. Одни концы проводников 4 электрически соединены с пассивным вибратором 3. Одни концы проводников 5 электрически соединены с активными несимметричными вибраторами 1, а вторые их концы электрически соединены с линией питания 2.
На фиг.2 показана антенна, у которой с одной стороны каждого проводника 5, один конец которого электрически соединен с активным несимметричным вибратором 1, а второй конец электрически соединен с линией питания 2, дополнительно установлен проводник 7, один конец которого электрически соединен с тем концом проводника 4, который электрически соединен с пассивным вибратором 3.
На фиг.3 и 4 - варианты установки проводников 4 и пассивного вибратора 3 на обратной стороне диэлектрической платы 6.
На фиг.5÷8 - варианты выполнения и установки элементов настройки антенны по фиг.1.
На фиг.9 приведена диаграмма направленности в горизонтальной плоскости одного из приведенных вариантов антенны.
В антенне на фиг.1 активный несимметричный вибратор 1, пассивный вибратор 3 и проводники 4 и 5 расположены на одной стороне диэлектрической платы 6.
В антенне на фиг.2 проводники 7, один конец каждого из которых электрически соединен с концом проводника 4, расположены на той же стороне диэлектрической платы 6, что и активные несимметричные вибраторы 1, пассивный вибратор 3 и проводники 4, 5.
В антенне на фиг.3 пассивный вибратор 3 и проводники 4 расположены на обратной стороне диэлектрической платы 6, при этом их установка относительно активного несимметричного вибратора 1 и проводников 5 такая же, как и в антенне на фиг.1.
В антенне на фиг.4 пассивный вибратор 3 и проводники 4 также расположены на обратной стороне диэлектрической платы 6, но проводники 4 установлены параллельно и симметрично оси зазора между активным несимметричным вибратором 1 и проводником 5.
В антенне на фиг.5 два идентичных элемента настройки в виде плоского прямоугольного проводника 8 на диэлектрическом основании 9, обратной стороной этого основания установлены на активные несимметричные вибраторы 1 и проводники 4.
В антенне на фиг.6 такие же элементы настройки стороной диэлектрического основания 9, на которой расположен плоский прямоугольный проводник 8, установлены на обратную сторону диэлектрической платы 6.
В антенне на фиг.7 такие же элементы настройки обратной стороной диэлектрического основания 9 установлены на обратную сторону диэлектрической платы 6. В антенне на фиг.8 показан один из вариантов установки элементов настройки, выполненных в виде отрезка коаксиального кабеля 10.
Антенна работает следующим образом.
Проводники 4, электрически соединенные с пассивным вибратором 3, образуют колебательную систему, эквивалентную одиночному колебательному контуру с емкостной нагрузкой, образованной распределенной емкостью между каждым проводником 4 и каждым активным несимметричным вибратором 1. Каждый проводник 5, электрически соединенный с каждым активным несимметричным вибратором 1, также образует колебательную систему, эквивалентную колебательному контуру с емкостной нагрузкой, образованной той же распределенной емкостью. Три колебательных контура, связанные между собой электромагнитной связью, образуют трехконтурную колебательную систему, обеспечивающую требуемую полосу рабочих частот, в которой электрические параметры антенны (КСВН, коэффициент усиления, диаграмма направленности) соответствуют предъявляемым требованиям, что подтверждено экспериментальными исследованиями, проведенными авторами.
Приведенные варианты реализации предложенного технического решения, в том числе, с использованием элементов настройки, позволяют учесть особенности условий размещения и установки бортовой антенны на конкретном объекте. Практическим воплощением предложенной полезной модели стало создание для новых типов летательных объектов бортовой антенны диапазона MB.
В таблице 1 приведены основные электрические параметры одного из вариантов выполнения заявляемой антенны диапазона MB, измеренные при ее установке на макет носового отсека самолета. В этой антенне активные несимметричные вибраторы и проводники, установленные по обеим сторонам от этих вибраторов, выполнены из латунных полосок, продольный размер которых 0,05 λср.
Таблица 1
№ п/п
Параметры
Измеренные значения
ГОСТ Р50860-96
1
Диапазон рабочих частот, МГц
108÷118
108÷118
2
КСВН, не более
3,5
5,0
3
Коэффициент усиления относительно полуволнового диполя (Ку), дБ не менее
минус 6,0
минус 10,0
4
Ослабление вертикальной составляющей поляризации поля (ОВС), дБ, не менее
12,0
10,0
Неравномерность ДН антенны в горизонтальной плоскости в секторе ±90° относительно НП не более 7 дБ (фиг.9), что соответствует требуемому значению - не более 12 дБ.
Приведенные результаты измерений электрических параметров антенны, продольный размер которой 0,05 λср, полностью соответствуют предъявляемым требованиям и обеспечивают нормальное функционирование сопрягаемой аппаратуры посадки и навигации диапазона MB. Сокращение продольного размера антенны почти в три раза в сравнении с прототипом позволяет размещать ее под носовым обтекателем вне рабочей зоны РЛС при сканировании луча антенны этой станции в секторе углов ±70° относительно НП и обеспечивает тем самым условия для нормального функционирования РЛС различного назначения.
Литература.
1. М.А.Маркелов, И.И.Цифринович, Б.Г.Цыбаев, Ю.Г.Шатраков. Параметры самолетных антенн и их измерения. Москва «Машиностроение» 1984 г., стр.29÷35, стр.47.
2. Авторское свидетельство №212341, 13.12.1967 г. «Слабонаправленная антенна» Ю.И.Буйвол-Кот, М.Е.Чупров, Л.А.Серов, Б.Г.Цыбаев, И.А.Догадкин, Г.Е.Плоткина, А.П.Осипов.
3. Ю.Г.Шатраков, М.И.Ривкин, Б.Г.Цыбаев Самолетные антенные системы. Москва «Машиностроение» 1979 г., стр.111.
4. Авторское свидетельство №367809, 3.11.1972 г. «Самолетная слабонаправленная антенна»
Ю.И.Буйвол-Кот, Л.А.Серов, И.И.Цифринович, С.А.Плоткин, Р.Б.Клишанис.