САМОЛЕТНАЯ УЛЬТРАКОРОТКОВОЛНОВАЯ АНТЕННА
AIRCRAFT ULTRA-SHORT WAVE ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике и, в частности, заявленная антенна предназначена для работы в режиме приема и/или передачи совместно с ультракоротковолновыми (УКВ) радиостанциями, устанавливаемыми на борту подвижных объектов: самолетах, автомобилях и т.п. транспортных средствах.
Известны УКВ антенны воздушных летательных аппаратов: АМС-1, АШС-1, АШС-УД, описанные в книге: Гвоздев И.Н. и др. Характеристики антенн радиосвязи. - Л.: ВАС, 1978, с.211-212.
АМС-1 - антенна мачтовая самолетная выполнена в виде несимметричного вибратора с аэродинамическим профилем поперечного сечения. Для снижения аэродинамической нагрузки продольная ось вибратора выполнена с наклоном к поверхности корпуса объекта и закреплен на нем с изолятором у основания.
Недостатком аналога является полная изоляция излучателя от корпуса объекта, что снижает его электрическую прочность и повышает вероятность электрического пробоя.
Известна самолетная антенна по пат. США №3774220 от 30.06.72, опубл. 20.11.73. Антенна представляет собой изогнутый вибратор, в котором в качестве излучающих элементов служат части конструкции самолета. Элементы, возбуждающие кромки крыльев самолета, разнесены друг от друга и имеют обтекаемую форму.
Недостатком такой антенны является сложность ее конструкции, требующей значительной доработки корпуса летательного аппарата (ЛА).
Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявленной антенне является известная антенна широкополосная самолетная изогнутая (АШС-И), описанная в книге: Власенко В.И. и др. Антенны военной техники связи. - Л.: ВАС, 1986, с. 116, рис. 5.5.
Антенна-прототип представляет собой несимметричный вибратор с вынесенной точкой питания. Нижняя трубчатая часть вибратора закреплена непосредственно на корпусе объекта без изолятора. В полости нижней части вибратора установлен коаксиальный фидер, экранная оболочка которого подключена к его верхней кромке, а центральный проводник фидера через изоляционную вставку подключен к верхней части вибратора, имеющей наклон относительно набегающего потока воздуха при полете самолета.
Антенна-прототип более устойчива к электрическому пробою, т.к. закреплена на корпусе объекта без изолятора.
Недостатком ближайшего аналога является относительно узкая полоса рабочих частот по согласованию из-за значительного изменения реактивной составляющей его входного сопротивления.
Целью изобретения является разработка самолетной УКВ антенны, обеспечивающей более широкодиапазонную работу по согласованию.
Поставленная цель достигается тем, что в известной самолетной УКВ антенне, содержащей нижнюю и верхнюю части, разделенные диэлектрической вставкой, нижняя часть выполнена в виде полого проводника, основание которого закреплено на металлическом корпусе самолета и имеет с ним кондуктивную связь, в полости проводника нижней части размещен первый отрезок коаксиального фидера, экранная оболочка которого подключена к верхней кромке полого проводника, а центральный проводник к основанию верхней части, дополнительно в полость проводника нижней части установлен второй отрезок коаксиального фидера. Центральный проводник второго отрезка коаксиального фидера подключен к основанию верхней части антенны, а экранная оболочка к верхней кромке полого проводника и экранной оболочке первого отрезка коаксиального фидера. Нижние концы первого и второго отрезков коаксиального фидера, выполняющих роль трансформирующих элементов, подключены соответственно к первому и второму входам дополнительно введенного сумматора, обеспечивающего согласование их суммарного сопротивления с волновым сопротивлением фидера от радиостанции. При этом выход/вход упомянутого сумматора является выходом/входом антенны. Сумматор выполнен по трансформаторной схеме. Для снижения аэродинамического сопротивления антенны при полете самолета продольные оси верхней и нижней частей антенны установлены друг относительно друга под углом в интервале 100°-120°, а поперечные сечения проводников нижней и верхней частей антенны выполнены с аэродинамическим профилем.
Указанная новая совокупность существенных признаков заявленной антенны благодаря использованию двух параллельно включенных отрезков коаксиального фидера, выполняющих роль трансформирующих элементов, и сумматора обеспечивающего сложение сигналов на выходах отрезков коаксиального фидера и трансформацию (согласование) их суммарного сопротивления с волновым сопротивлением фидера от радиостанции, достигается возможность расширения диапазона рабочих частот по согласованию сопротивления, т.е. реализуется возможность достижения указанного технического результата.
Заявленная самолетная УКВ антенна поясняется чертежами, на которых показано:
на фиг. 1 общий вид антенны;
на фиг. 2 электрическая схема сумматора трансформаторного типа;
на фиг. 3 эквивалентная электрическая схема антенны;
на фиг. 4 варианты конструктивного построения антенны;
на фиг. 5 результаты сравнительных измерений диапазонных свойств по согласованию.
H
B
Заявленная самолетная УКВ антенна, показанная на фиг. 1, состоит из нижней части 1, высотой h, верхней части 2 высотой h. Нижняя 1 и верхняя 2 части разделены диэлектрической вставкой 3, толщиной Δ.
H
Нижняя часть 1 выполнена в виде полого проводника, поперечное сечение (А-А) которого на фиг. 1 показано, в частности, в виде прямоугольного полого проводника, основание которого имеет гальваническую связь с металлическим корпусом объекта. Верхняя часть 2 может быть выполнена в виде обычного проводника, например в виде пластины. В полости 4 проводника нижней части 1 размещены первый 5 и второй 6 отрезки коаксиального фидера. Длины отрезков 5 и 6 равны высоте нижней части h. Экранные оболочки отрезков 5 и 6 коаксиального фидера вверху подключены (точки «а») к верхней кромке полого проводника 1 и также электрически соединены друг с другом (точки «б»). Центральные проводники отрезков 5 и 6 коаксиального фидера подключены (точки «с») к верхней части 2 антенны. Общая высота антенны Н и ширина В. У основания нижней части 1 антенны размещен сумматор 7, к первому 8 и второму 9 входам/выходам которого подключены нижними концами соответственно первый 5 и второй 6 отрезки коаксиального фидера. Так как заявленная антенна может использоваться как приемная, передающая или приемо-передающая, то входы 8 и 9 сумматора одновременно рассматриваются и как выходы. По этой же причине выход 10 сумматора 7 рассматривается и как его вход, который с помощью фидера 11 подключают к входу/выходу бортовой радиостанции (на фиг. 1 не показана). Антенна совместно с сумматором 7, размещенном в металлическом корпусе, закреплена непосредственно (т.е. без изолятора) на металлической поверхности 12 объекта, в частности на корпусе самолета.
В зависимости от требований по аэродинамическому сопротивлению, которые тем жестче, чем более скоростной летательный аппарат, на который планируется установка антенны, она может быть реализована различным образом. Например, при использовании на малоскоростных летательных аппаратах (вертолетах, беспилотниках и т.п.) или наземных подвижных объектах (автомобилях, железнодорожных вагонах и т.п.) особых требований по аэродинамике конструкции не предъявляют и она может быть выполнена как показано на фиг. 1. На более скоростных летательных аппаратах для снижения аэродинамических нагрузок сечение антенны выполняют аэродинамической формы (фиг. 4), придают ей наклон относительно нормали к поверхности самолета (фиг. 4a) и устанавливают продольные оси нижней и верхней частей под углом друг к другу (фиг. 4б).
Сумматор 7 предназначен для сложения ЕДС на выходах отрезков 5 и 6 коаксиального фидера и согласования их суммарного сопротивления с волновым сопротивлением фидера 11 от радиостанции.
Сумматор 7 может, в частности, быть выполнен по известной трансформаторной схеме, приведенной на фиг. 3. Входы 8 и 9 сумматора являются первыми выводами первой 13 и второй 14 первичных обмоток, вторые выводы которых подключены к корпусу сумматора 7, который в свою очередь гальванически подключен к металлическому корпусу самолета. Первый вывод вторичной (суммирующей) обмотки 15 является входом/выходом сумматора, а ее второй вывод подключен к корпусу сумматора 7.
Интервал d между точками подключения «с» центральных проводников отрезков 5, 6 коаксиального кабеля (см. фиг. 1) к верхней части 2 антенны выбирают в пределах (0,3-0,4) ширины «В» антенны.
A
A
A
A
A
B
B
H
H
A
1
2
A
А
H
B
с
с
Заявленная антенна работает следующим образом. Рассматриваемая антенна относится к классу излучателей с вынесенной точкой питания и заземленным основанием (фиг. 3а). Общее комплексное сопротивление Z=R+jX, где R, X - активная и реактивная составляющие сопротивление антенны на входе фидера 11 (см. также фиг. 1, 2) будет складываться из сопротивлений последовательно соединенных разомкнутой линии длиной hс волновым сопротивлением ρ, короткозамкнутой линии длиной h с волновым сопротивлением ρ (фиг. 3б). Далее сопротивление Z через шестиполюсник, образованный параллельным включением первого 5 и второго 6 отрезков коаксиального фидера, с волновыми сопротивлениями соответственно ρ, ρ (фиг. 3в) и сумматор 7 трансформируются на вход фидера 11 с волновым сопротивлением ρф. Выполнение условия R=ρф и Х=0 обеспечивает наибольший диапазон рабочих частот согласования по сопротивлению при h=h и Н=0,25 λ, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона волн.
ф
A
А
A
Учитывая, что на летательных аппаратах используют преимущественно фидеры с ρ=50 Ом, за счет описанной схемы заявленной антенны, подключения к точкам питания антенны двух отрезков фидера, выполняющих совместно с сумматором функцию «сглаживания» активной R и реактивной Х составляющих сопротивления Z, обеспечивается более широкополосная по согласованию работа антенны.
Возможность достижения технического результата была подтверждена путем проведения сравнительных экспериментальных измерений качества согласования (коэффициента стоячей волны - КСВ) заявленной антенны и прототипа.
Измерения проводились в диапазоне 50-250 МГц при следующих конструктивных размерах сравниваемых антенн.
H
B
1
2
ф
Заявленная антенна: Н=750 мм, h=h, В=200 мм, ρ=ρ=50 Ом, 9=15 мм, d=70 мм, ρ=50 Ом.
Конструкция прототипа имела такие же параметры, при одном отрезке коаксиального фидера, подключенном к точкам возбуждения вибратора.
Результаты измерений КСВ, показанные на фиг. 5, дают основания для вывода о том, что по уровню КСВ≤2 диапазон ΔF рабочих частот заявленной антенны составляет 96-205 МГц; у прототипа 100-160 МГц, т.е. достигнуто увеличение диапазона рабочих частот примерно в 2 раза. Полученные результаты указывают на возможность достижения указанного технического результата при использовании заявленной антенны.