АНТЕННА ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ
ANTENNA FOR PROBING IONOSPHERE

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в области измерений геофизических полей Земли и системах связи.
Постоянный контроль электронной концентрации слоев ионосферы представляется важной задачей в космонавтике, сейсмологии, системах хранения и передачи сигналов точного времени, системах космической связи. Обычно зондирование ионосферы осуществляют в диапазоне 5…30 МГц, на высотах до 1000 км [см., например, «Космонавтика», энциклопедия, М.: Сов. Энциклопедия, 1985 г., Ионосфера, Ионозонд, стр.141-143]. Основные требования к антеннам для зондирования ионосферы - диапазонность, ориентирование диаграммы направленности в зенит, низкий уровень шумов (боковых лепестков).
max
min
Известна диапазонная антенна метровых волн под названием «Диполь Надененко» [см. А.Л.Драбкин, В.Л.Зузенко. Антенно-фидерные устройства. Учебник. Сов. Радио, 1964 г., стр.343-345] - аналог. Антенна аналога представляет собой симметричный вибратор из проводов, расположенных по образующим круглого цилиндра, диаметром 1…1,5 м, с числом проводов от 6 до 8, средние участки которого, примыкающие к фидеру, и его концы имеют коническую форму, что обеспечивает волновое сопротивление 250…400, позволяющее подключить антенну непосредственно к фидеру без согласующих трансформаторов, при диапазонности λ/λ≈2.
Недостатками аналога являются:
- малый коэффициент усиления;
- недостаточная диапазонность;
- большой уровень боковых лепестков.
Ближайшим аналогом является «Ромбическая антенна» [А.Л.Драбкин, В.Л.Зузенко. Антенно-фидерные устройства. Учебник. М.: Сов. Радио, 1961 г., стр.366-370]. Ромбическая антенна представляет собой систему из четырех горизонтальных проводов в форме ромба, подвешенных на опорных мачтах, длина каждого провода 50-150 м, высота подвеса 15…30 м, с одной стороны антенна соединяется с фидером приемопередатчика, с другой стороны антенна замыкается на сопротивление, равное волновому сопротивлению линии, образованной проводами антенны, порядка 600-800 Ом в зависимости от расстояния между проводами, с диаграммой направленности вдоль большой диагонали ромба.
Недостатками ближайшего аналога следует считать:
- наличие в диаграмме значительных боковых лепестков;
- малый угол возвышения главного лепестка диаграммы направленности над поверхностью Земли;
- низкий коэффициент усиления антенны, порядка 100-150.
Задача, решаемая заявленным техническим решением, заключается в реализации широкодиапазонной антенны, работающей во всем диапазоне частот зондирования ионосферы, с ориентацией диаграммы направленности в зенит, большим коэффициентом усиления, низким уровнем шумов и длительным сроком эксплуатации, путем использования композитных материалов.
Технический результат достигается тем, что антенна для зондирования ионосферы выполнена в виде двух скрещенных в ортогональных плоскостях ромбов с длинами ребер 58 м одного и 26 м второго ромба, подвешенных на опорной мачте из композитного материала высотой 32 м, создающей геометрию главной диагонали ромбов, и двух пар вспомогательных мачт высотой 9 м для подвески вторых углов ромбов, растяжек расчаливания механического крепления мачт из полимерного материала и жил токонесущих проводов ромбов, расположенных по образующим цилиндра в качестве излучателей антенны, нагруженных на общее сопротивление, согласованное для режима бегущих волн в излучателях, подключенное к многолучевому заземлителю, выполненному по параллельной схеме, для режима зеркального противовеса.
Изобретение поясняется чертежами, где
фиг.1 - конструктивная схема антенны: а) вид сверху двух скрещенных ромбов, б) вид ромба с опорной мачтой в одной из ортогональных плоскостей;
фиг.2 - расчетные диаграммы направленности: а) меньшего ромба, б) большого ромба, в) результирующая диаграмма направленности антенны;
фиг.3 - пути токов в многолучевом заземлителе-противовесе;
фиг.4 - составное колено мачт подвески ромбов из композитного материала;
фиг.5 - винтовой свайный элемент многолучевого заземлителя.
Антенна (фиг.1 а, б) содержит опорную мачту 1, создающую геометрию главной диагонали подвески ромбов 2, 3, токонесущих проводов-излучателей антенны 4, 5, 6, 7, расположенных по образующим цилиндров с центральными жилами 8, 9, 10, 11 из композитного материала, несущими механическую нагрузку натяга токонесущих проводов, две пары вспомогательных мачт 12, 13, 14, 15 для подвески вторых углов ромбов, растяжек механического крепления мачт 16, сопротивления нагрузки излучателей 17, закрепленного на опорной мачте 1, газоразрядника молниезащиты антенны 18, включенного параллельно сопротивлению нагрузки, заземлителя 19, выполненного по многолучевой схеме на винтовых свайных трубах, заглубленных в грунт 20 и фидера питания излучателей 21.
max
min
Динамика взаимодействия элементов антенны состоит в следующем. Для зондирования ионосферы во всем диапазоне необходимо обеспечить соотношение λ/λ порядка шести. Выбрано конструктивное решение антенного излучателя в виде двух скрещенных в ортогональных плоскостях ромбов, подвешенных на высокой опорной мачте из долговечного композитного материала, создающей геометрию главной диагонали обоих ромбов. Этим обеспечивается ориентация результирующей диаграммы направленности антенны вдоль главной оси, т.е. в зенит. Диапазонность антенны достигается разными размерами ромбов. Для излучения на длинных волнах диапазона использован ромб с длиной ребра излучателя 58 м, при общей длине 116 м, что обеспечивает режим бегущих волн. Для другого края диапазона, с более короткими волнами (порядка 10 м), режим бегущих волн реализован при меньших размерах ребра ромба, равного 32 м и 26 м. Диаграммы направленности излучателей (каждого ромба) могут быть рассчитаны по формуле [см. ближайший аналог, стр.368]:
0
где 1 - длина стороны ромба, φ - угол между ребром ромба и основной диагональю, φ - текущий угол диаграммы направленности, отсчитываемый от оси. Учитывая, что диаграмма направленности ромбической антенны имеет осевую симметрию, результирующую расчетную диаграмму направленности находят как произведение диаграмм направленности ортогональных ромбов [см. аналог, стр.122]:
peз.
1
2
F=F(φ,θ)×F(φ,θ)
1
2
Расчетные диаграммы направленности ромбов F(φ,θ), F(φ,θ) и результирующая диаграмма направленности иллюстрируются фиг.3 (а, б, в). Между коэффициентом направленного действия антенны и углами раствора диаграммы направленности на уровне половинной мощности существует зависимость [см. аналог, стр.124]:
1
2
рез
2
Из графиков фиг.2 ширина диаграмм направленности излучателя большого ромба составляет F(φ)=20°, меньшего ромба F(φ)=36°, результирующей диаграммы направленности Р(φ)=12°. Расчетный коэффициент направленного действия заявленного устройства составляет D≈2300, что на порядок превосходит его значение в ближайшем аналоге. Существенное влияние на КНД антенн метровых волн оказывает проводимость почвы в месте расположения антенны. Уровень боковых лепестков и радиояркостная температура антенны убывают пропорционально (1-R), где R - коэффициент отражения электромагнитных волн от поверхности земли. Для идеально отражающей поверхности R→1. Последнее достигается использованием лучевой схемы заземлителя, выходящей за пределы проекций излучателей антенны на землю. Лучевая схема заземлителя и пути токов в заземлителе иллюстрируются рисунком фиг.3. Все элементы антенны выполены на существующей технической базе. Долговечность эксплуатации антенны обеспечивается применением композитных материалов в элементах конструкции, растяжек и подвески ромбов. Копозитный полимерный материал опорных мачт - серийная продукция научно-производственного предприятия АпАТэк[см., Интернет, сайт http://www.apatch.ru, конструктивные профили, металлокомпозитные накладки]. Составное колено из композитного материала иллюстрируется фиг.4. Многолучевой заземлитель выполнен на винтовых свайных элементах СВС-57/1650 [см. Интернет, сайт http://www.fundex.su/tehnologiya-vintovyh-sv] Винтовой свайный элемент представляет собой металлическую трубу с приваренной с одной стороны лопастью специальной конфигурации (фиг.5). С противоположной стороны трубы приваривается оголовок для подключения заземляющего провода антенны. Винтовые сваи могут оперативно вкручиваться в грунт и выкручиваться из него.
Эффективность антенны характеризуется существенной диапазонностью, высоким коэффициентом направленного действия, малым уровнем боковых лепестков за счет режима зеркального противовеса многолучевого заземлителя.