Магистральная V-образная передающая КВ-антенна

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к области антенной техники, и может быть использована при разработке и проектировании, например, мобильных магистральных коротковолновых (КВ) антенн большой мощности в диапазоне частот от 1,5 до 30 МГц.
Известны так называемые V-образные приемопередающие КВ-антенны для магистральных связей от 1000 км и более в диапазоне частот 1,5÷30 МГц, состоящие из двух, одно или многопроводных антенных секций (полотен), закрепленных на мачте и размещаемых под необходимыми углами относительно друг друга и к поверхности почвы, а также линии питания (фидера), подключаемой между передатчиком и верхними концами антенных секций; согласующих поглощающих нагрузок, подключаемых на нижних концах антенных полотен; антенной мачты необходимой высоты.
Эти антенны нашли применение в различных мобильных и стационарных радиостанциях и радиоцентрах и описаны, например, в следующих изданиях: Г.А. Лавров, А.С. Князев, Приземные и подземные антенны, Сов. Радио, М.1965г., стр. 218; М.С. Жук, Ю.Б. Молочков, Проектирование антенно-фидерных устройств, издательство «Энергия», М.Л., 1966 г., стр. 309 - 312.
К недостаткам приведенных выше аналогов следует отнести следующее.
Недостаточный коэффициент усиления в отдельных участках диапазона частот и неоптимальные углы возвышения диаграммы направленности (ДН) антенны для работы на дальности до 5000 км, не позволяющие вести связь во всем диапазоне при постоянных размерах и конфигурации проводников антенны.
Для оптимизации этих параметров при ведении связи, как правило, необходимо трансформировать геометрические формы антенн (углы между проводами, длина проводов, высота подвеса на мачте) для коррекции интервала оптимальных углов ДН в необходимом диапазоне частот и значений коэффициента усиления (КУ), при изменении расстояний до абонентов в больших пределах (более 4х раз), что требует существенных затрат времени в силу их значительных (100÷300 м) размеров.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемой, является V-образная антенна, с многопроводными антенными полотнами и проводными согласующими нагрузками, описанная в а.с. SU 824845, H01Q 11/00 от 2006.01, Буткевич А.О., Янно И.А., Чернолес В.П., Власенко В.И., Терехов Н.Т., (Академия связи им. С.М. Буденного), принятая за прототип.
Антенна-прототип состоит из двух полотен, каждое из которых выполнено в виде расходящегося к вершине мачты пучка проводников, запитывающего (питающего) устройства в виде коаксиального фидера, а также нагрузочных (согласующих) сопротивлений в виде проводников, расположенных на земле и подключенных к концам полотен. Коаксиальный фидер подключен оплеткой к одному из полотен вдоль всей его длины, а центральный проводник фидера подключен у вершины мачты ко второму полотну. В качестве нагрузочного сопротивления используется на одном полотне оплетка коаксиального фидера, идущего по земле к передатчику, а на другом – проводник в изоляции, располагаемый также на земле. В качестве последнего может использоваться отрезок коаксиального фидера, который подключается к полотну только оплеткой. Для удобства эксплуатации фидер и нагрузочные (согласующие) сопротивления подключаются к антенным полотнам через коаксиальные разъемы.
К недостаткам прототипа следует отнести трудности с обеспечением максимальных коэффициентов усиления и оптимальных углов возвышения максимума ДН для магистральных связей в широком интервале дальностей (1000÷5000 км) без трансформации геометрических форм антенны при смене частот в диапазоне 1,5-30 МГц. Обычно это делается вручную, путем изменения длин проводов антенны, углов между ними, а также высоты подвеса на мачте, при значительных затратах времени, которое является жизненным ресурсом в мобильных комплексах связи и управления.
Задача предлагаемого технического решения – увеличение коэффициента усиления магистральной V – образной передающей антенны с оптимизацией углов возвышения ДН, для обеспечения возможности ведения магистральной связи в КВ-диапазоне в широком интервале дальностей (1000÷5000 км) и частот без трансформации форм.
1
2
3
1
2
3
Для решения поставленной задачи в магистральной V-образной передающей КВ-антенне, содержащей два антенных полотна, выполненных из проводников и закрепленных на мачте, а также согласующие нагрузки, выполненные в виде отрезков проводников, изолированных от земли и подключенных к нижним концам проводников антенных полотен, и питающее устройство, согласно полезной модели, каждое антенное полотно выполнено из трех проводников длиной L, L, L, размещенных друг над другом с вертикальным смещением таким образом, что пара проводников с длинами L расположена под углом 60° между ними, пара проводников с длинами L – под углом 40°, а пара проводников с длинами L – под углом 20°, при этом верхние концы полотензакреплены на мачте и соединены с питающим устройством, кроме того, нижние концы проводников в каждом антенном полотне соединены между собой горизонтальными отрезками проводников.
На фиг. 1 изображена предлагаемая антенна (вид сбоку); на фиг. 2 – чертеж антенны, вид сверху (горизонтальная проекция).
На фиг. 1 и 2 приняты следующие обозначения:
1 – питающее устройство (фидер питания);
2 – мачта;
3 –антенные полотна;
4 – согласующие нагрузки;
1
2
3
L, L, L – длины первого, второго и третьего проводников;
4
L – длина горизонтальных отрезков проводников, изолированных от земли и выполняющих функцию согласующих нагрузок;
1
2
3
φ, φ, φ – углы между парами одинаковых по длине проводников обоих полотен.
1
2
3
1
1
2
2
3
3
Заявляемая антенна содержит два антенных полотна 3, каждое из которых выполнено из трех проводников с длинами L=300м, L=225м; L=150м, расходящихся от точек питания к земле и размещенных друг над другом со смещением таким образом, что пара проводов в полотнах с длинами L расположена под углом φ = 60° между ними, пара проводов с длинами L – под углом φ = 40°, а пара проводов с длинами L – под углом φ = 20° между ними в горизонтальной плоскости (фиг. 1 и фиг. 2). Причем питающее устройство (фидер питания) 1 выполнено симметричным двухпроводным и соединено соответственно с полотнами антенны 3 в точках питания, которые находятся у вершины мачты 2.
4
Мачта 2 имеет высоту 25-30 метров, а сами приземные концы проводников в каждом полотне 3 соединены между собой горизонтальными отрезками проводников 4 длиной по L=77 метров каждый, выполняющими роль согласующих нагрузок с потерями в земле.
Функционирование предлагаемой антенны происходит следующим образом.
1
2
3
Конструкция устройства обеспечивает его функционирование таким образом, что при такой схеме в магистральной V-образной передающей КВ-антенне одновременно существуют три антенны с длинами L, L, L, работающие на разные дальности и частоты.
Такая конструкция антенных полотен позволяет избежать трансформаций антенны при ведении связи на разных частотах.
Магистральная V-образная передающая КВ-антенна может быть установлена на антенных мачтах (опорах) высотой от 25 до 30 метров, серийно выпускаемых в РФ (например, «Сосна НН»). В антенных полотнах 3 используются медные проводники требуемого сечения, усиленные стальными нитями для минимизации омических потерь и обеспечения необходимой прочности. Таким образом, практическая реализация предлагаемой антенны возможна на любом радиотехническом предприятии и не требует особых доказательств.
Для подтверждения технического результата в таблице 1 приведены коэффициенты усиления (КУ) и углы возвышения ДН заявляемой антенны и антенны-прототипа рассчитанные методом математического моделирования в программе MMANA-GAL. Расчет велся при высоте подвеса антенны 30 метров и длине полотна антенны-прототипа 150 метров.
Таблица 1
F,МГц
Ку, дБ (заявляемой антенны)
Углы возвышения ДН (заявляемой антенны)
Ку, дБ(для прототипа в виде антенныVH150/30)
Углы возвышения ДН (для прототипа в виде антенны VH150/30)
Ку, прирост, дБ.
Углы ДН, снижение, градус.
2
10,13
37°
5,14
42°
+4,99
-5
5
13,13
21°
10,98
26°
+2,15
-5
10
15,27
12°
12,87
14°
+2,4
-2
15
17,2
8,9°
14,56
10,1°
+2,64
-1,2
20
18,06
7,1°
14,83
7,4°
+3,23
-0,3
25
18,1
5,1
13,57
5,7°
+4,53
-0,6
30
17,01
10,2
14,67
13,3°
+2,34
-3,1
Как можно видеть, сравнение в пользу предлагаемой антенны, т.к. углы возвышения ДН меньше (а это увеличивает дальность скачка при отражении от ионосферы), и коэффициенты усиления выше во всем диапазоне частот, что позволяет решить поставленную задачу. Фактически это обеспечивается за счет того, что при такой схеме в антенне одновременно существуют три антенны разной длины, работающие на разные дальности и частоты, что позволяет избежать трансформаций антенны при смене частот.
Рекомендуемые углы ДН для различных дальностей (Вершков М.В., Миротворский О.Б., Судовые антенны, Судостроение,1990г., стр.152):
D ≤ 1500 км, θ°∈ [12°÷28°];
D ∈ [2000÷3000] км, θ°∈ [12°÷20°];
D ∈ [3000÷5000] км, θ°∈ [3°÷18°];
D ≥ 5000 км, θ°∈ [3°÷12°].