ПОЛНОПОВОРОТНАЯ АНТЕННА С РАДИОПРОЗРАЧНЫМ ОБТЕКАТЕЛЕМ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая полезная модель относится к полноповоротным антеннам, в частности, к антеннам с опорно-поворотным устройством и обтекателем, защищающим от ветра и осадков.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Современные полноповоротные антенные системы для приема сигналов спутниковых линий связи, особенно зеркала большого диаметра, представляют собой сложные технические сооружения, включающие антенны и опорно-поворотные устройства.
Известно антенное устройство (JP2013201774), в котором антенное зеркало и опорно-поворотное устройство закрыто радиопрозрачным защитным кожухом, тем самым защищая устройство от воздействий внешней среды, таких как ветер и дождь. Защитный кожух содержит функциональные части, такие как дверца для выполнения обслуживания антенного устройства, расположенного внутри защитного кожуха, и окно для просмотра внутренней части. Предложенные функциональные части позволяют без снятия защитного кожуха с антенного устройства проводить техническое обслуживание и визуальное подтверждение положения антенного зеркала.
Недостатком известного антенного устройства является то, что защитный кожух установлен на подвижной поворотной платформе, на которой также установлено антенное устройство. Такое решение утяжеляет конструкцию и перенагружает приводы, приводящие в движение подвижную поворотную платформу. Также в данном решении при техническом обслуживании необходимо присутствие персонала на подвижной платформе внутри защитного кожуха, что нагружает опору, поддерживающую подвижное поворотное устройство. Кроме этого, при техническом обслуживании антенного устройства, требующем участие крупногабаритной техники, необходимо демонтировать защитный кожух с подвижной поворотной платформы, что усложняет и увеличивает время ремонта. Также наличие двери и окна в защитном кожухе усложняют исполнение конструкции.
Известна двухсферовая антенная система с частичной металлизацией радиопрозрачного защитного кожуха (RU 2567192), которая содержит первый радиопрозрачный защитный кожух, зеркало антенны, выполненное металлизацией внутренней части второго радиопрозрачного защитного кожуха. В состав системы введены второй радиопрозрачный защитный кожух, расположенный внутри первого радиопрозрачного защитного кожуха, а также устройство наведения на объект излучений, выполненное в составе постоянного магнита, закрепленного на внутренней поверхности второго радиопрозрачного защитного кожуха и электромагнита. Электромагнит и малошумящий усилитель с преобразователем частот расположены на общей платформе и перемещаются во всех направлениях по внешней поверхности первого радиопрозрачного защитного кожуха.
Недостатком двухсферной антенной системы является конструктивная и технологическая сложность исполнения. Также данная система не обеспечивает полноповоротного движения антенного зеркала, что уменьшает ее эффективность при слежении за различными спутниками. Кроме этого, наличие двух радиопрозрачных кожухов и смазки между ними также уменьшают проницаемость радиосигнала, что ухудшает качество принимаемых или посылаемых данных. Также для качественной работы данной системы необходимо постоянно следить за наличием смазки между двумя кожухами, что усложняет обслуживание в особенности крупногабаритных антенн.
Известна также антенная система с частичной металлизацией радиопрозрачного защитного кожуха (RU 2514134), содержащая зеркало антенны, защитный радиопрозрачный кожух, соответствующий конфигурации для зеркала антенны и установленный на вращающейся по кругу платформе, при этом половина или часть кожуха металлизирована и представляет собой зеркало антенны, для ослабления ветровых нагрузок защитный кожух укрепляется растяжками, а также дополнительно введен компрессор с регулируемым температурным режимом для поддержания внутри кожуха соответствующего температурного режима.
Недостатком системы является сложность конструктивного исполнения, а также сложность обслуживания за счет необходимости поддержания соответствующего температурного режима. Кроме этого, для обслуживания известной антенной системы необходимо нахождение оператора внутри защитного кожуха для выполнения работ по наведению на объект излучений. Также известная антенная система не обеспечивает достаточной подвижности антенного зеркала для слежения за космическими объектами, что уменьшает эффективность работы антенны.
Также известен радиопрозрачный купол (RU 2358362), который принят в качестве ближайшего аналога и обеспечивает повышение надежности и долговечности антенного устройства благодаря обеспечению очистки его поверхности от снега и (или) льда за счет того, что содержит кожух из радиопрозрачного материала, насос, нагреватель, три штуцера, первый шланг, второй шланг, выполненный из радиопрозрачного материала, третий шланг, защитный купол, выполненный из радиопрозрачного эластичного растягивающегося воздухонепроницаемого материала. Кожух из радиопрозрачного материала размещен внутри защитного купола, нижняя часть защитного купола герметично соединена с наружной поверхностью кожуха из радиопрозрачного материала.
Недостатком известного радиопрозрачного купола является сложность конструктивного исполнения, а также сложность обслуживания, которое требует подачу нагретого воздуха в пространство между кожухом из радиопрозрачного материала и защитным куполом. Также недостатком радиопрозрачного купола является необходимость его разбора для технического обслуживания непосредственно антенного устройства. Кроме этого, наличие двух защитных слоев, купола и кожуха, между которыми присутствует воздушная прослойка, уменьшают проницаемость радиосигнала, что ухудшает качество принимаемых или посылаемых данных.
Таким образом, большинство из известных антенных устройств с подвижным антенным зеркалом, содержащих обтекатель, защищающий их от внешней среды, имеют сложную в исполнении конструкцию. Также известные радиопрозрачные защитные кожухи усложняют обслуживание антенного устройства и утяжеляют конструкцию в целом. Важно отметить, что в ряде известных антенных устройств защитный кожух может ухудшать качество принимаемых или посылаемых антенной данных.
Ввиду имеющихся недостатков известных антенных устройств с подвижным антенным зеркалом и защитным кожухом задачей настоящей полезной модели является создание простой в исполнении конструкции полноповоротной антенны большого диаметра с кожухом, защищающим антенну от воздействий внешней среды, обеспечивающей высокое качество принимаемых и передаваемых данных и упрощённое техническое обслуживание как антенного зеркала, так и опорно-поворотного устройства.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Поставленная задача решается посредством предложенной полноповоротной антенны, которая содержит автоматическое опорно-поворотное устройство, антенное зеркало, закрепленное на автоматическом опорно-поворотном устройстве, и облучатель, выполненный с возможностью приема и передачи данных. Указанная антенна также содержит радиопрозрачный обтекатель, установленный на антенном зеркале, так что облучатель расположен внутри полости, образованной антенным зеркалом и обтекателем.
Предлагаемая полезная модель позволяет достичь технического результата в виде создания простой в исполнении конструкции полноповоротной антенны большого диаметра, обеспечивающей максимальную эффективность использования опорно-поворотного устройства и антенного зеркала полноповоротной антенны благодаря снижению ветровой нагрузки и, как следствие, высокое качество приема сигнала из космоса, при этом обеспечивая упрощенное обслуживание узлов полноповоротной антенны и расширение арсенала конструкций для полноповоротных антенн большого диаметра.
Указанный технический результат достигается посредством установки на антенное зеркало радиопрозрачного обтекателя таким образом, что облучатель оказывается расположенным внутри полости, образованной антенным зеркалом и радиопрозрачным обтекателем.
Антенна большого диаметра, в частности антенное зеркало, имеет высокое ветровое сопротивление. В случае исполнения антенны с автоматическим опорно-поворотным устройством (ОПУ) ветровое сопротивление передается на механические привода ОПУ. Данное обстоятельство требует более сложные в исполнении и увеличенные механические привода больших угловых моментов. Радиопрозрачный обтекатель, установленный на антенное зеркало, позволяет снизить ветровое сопротивление как на антенное зеркало, так и на ОПУ. Таким образом, благодаря снижению ветровой нагрузки на ОПУ, рассчитанное на определенный диаметр антенного зеркала, обеспечивается возможность установки на данное ОПУ антенного зеркала большего диаметра без замены узла крепления на более прочные приводы и без увеличения механических приводов. Предлагаемое решение обеспечивает максимальную эффективность использования ОПУ, позволяющей увеличить диаметр антенного зеркала, за счет чего увеличивается область сканирования (и, как следствие, увеличивается количество спутников (космических аппаратов), с которых возможно принять сигнал), что улучшает качество и стабильность сигнала.
Крепление обтекателя непосредственно на антенном зеркале предполагает минимум дополнительных деталей для его установки, что ускоряет и упрощает процесс установки полноповоротной антенны. Установка обтекателя на антенное зеркало также позволяет существенно упростить обслуживание узлов полноповоротной антенны. Такое решение облегчает доступ к ОПУ для проведения различных манипуляций, связанных с ремонтными работами, с использованием крупногабаритной техники. Кроме того, исполнение радиопрозрачного обтекателя в один слой обеспечивает прохождение радиосигнала с минимальными потерями, т.е. с сохранением качества передаваемых и принимаемых данных.
Согласно одному из вариантов реализации облучатель закреплен на внутренней стороне обтекателя. Крепление облучателя на внутренней стороне обтекателя предполагает минимум дополнительных деталей для его установки, что упрощает конструкцию и позволяет максимально эффективно использовать антенное зеркало и избежать потерь при приеме или передаче сигнала, связанных с дополнительным оборудованием, необходимым для установки облучателя.
Согласно еще одному из вариантов реализации облучатель закреплен на внутренней стороне антенного зеркала. Крепление облучателя на внутренней стороне антенного зеркала целесообразно при большом значении фокусного расстояния, в частности, больше чем f/d порядка 0,5-0,7, где f-фокусное расстояние, а d-диаметр зеркала, при этом необходимо обеспечить установку на внутренней стороне обтекателя контррефлектора, который позволит реализовать двухзеркальную схему антенны.
Согласно еще одному из вариантов реализации облучатель может быть выполнен с возможностью перемещения относительно антенного зеркала. Подвижность облучателя позволит улучшить точность позиционирования антенны в случае грубого (неточного) позиционирования с помощью ОПУ.
Согласно еще одному из вариантов реализации радиопрозрачный обтекатель имеет параболоидную форму. Использование обтекателя параболоидной формы обеспечит максимальное снижение ветрового сопротивления. Также предложенная форма позволяет не накапливать осадки на поверхности обтекателя, что обеспечивает качество и стабильность сигнала антенны.
Согласно еще одному из вариантов реализации радиопрозрачный обтекатель имеет форму, симметричную антенному зеркалу. Предложенная форма обеспечивает одинаковые ветровые нагрузки как на радиопрозрачный обтекатель, так и на антенное зеркало, таким образом, при действии ветровой нагрузки как «в лоб» (на обтекатель), так и сзади антенного зеркала, ОПУ будет испытывать одинаковые ветровые нагрузки, что облегчает подбор механических приводов для его конструкции.
Согласно еще одному из вариантов реализации радиопрозрачный обтекатель имеет форму, несимметричную антенному зеркалу, что позволяет заранее учитывать часто возникающие изменения направления ветра в месте установки полноповоротной антенны, тем самым максимально снижая ветровую нагрузку. Также обтекатель может быть несимметричным в зависимости от фокусного расстояния антенного зеркала, например, чем больше расстояние, тем более выпуклая форма у обтекателя.
Таким образом, предлагаемая конструкция проста в исполнении за счет уменьшения деталей для установки облучателя и обтекателя, при этом конструкция позволяет максимально эффективно использовать ОПУ благодаря снижению ветрового сопротивления обтекателем, максимально эффективно использовать антенное зеркало благодаря появлению возможности увеличения его диаметра и расположению облучателя внутри полости, образованной антенным зеркалом и обтекателем, а также благодаря достижению максимальной эффективности использования узлов обеспечивается высокое качество сигнала, принимаемого полноповоротной антенной из космоса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность полезной модели более подробно поясняется со ссылкой на прилагаемые чертежи:
фиг. 1 – трехмерная модель полноповоротной антенны с радиопрозрачным обтекателем согласно одному из вариантов реализации настоящей полезной модели;
фиг. 2 – схема крепления облучателя на внутренней стороне радиопрозрачного обтекателя полноповоротной антенны согласно одному из вариантов реализации настоящей полезной модели;
фиг. 3 - трёхмерная модель антенного зеркала без обтекателя и действующие на него ветровые нагрузки «в лоб» для полноповоротной антенны согласно одному из вариантов реализации настоящей полезной модели;
фиг. 4 - трёхмерная модель антенного зеркала с обтекателем и действующие на него ветровые нагрузки «сзади» для полноповоротной антенны согласно одному из вариантов настоящей полезной модели;
фиг. 5 – распределение ветровой нагрузки при наличии обтекателя для полноповоротной антенны согласно одному из вариантов реализации настоящей полезной модели.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Предлагаемая полноповоротная антенна большого диаметра предназначена для управления и получения данных с космических аппаратов и беспилотных летательных аппаратов.
Полноповоротная антенна (фиг. 1) содержит антенное зеркало 1 и автоматическое опорно-поворотное устройство (ОПУ) 2 с приводом 5. Антенное зеркало 1 в данном варианте реализации выполнено в форме параболоида из карбона с металлическим покрытием. В других вариантах реализации антенное зеркало 1 может иметь видоизмененную форму и быть выполнено из любого материала, подходящего для изготовления антенного зеркала. Антенное зеркало 1 закреплено на ОПУ 2, обеспечивающем устойчивость всей антенной системы, автоматическое наведение и автосопровождение космических аппаратов связи. Полноповоротная антенна также содержит радиопрозрачный защитный кожух, выполненный в виде радиопрозрачного обтекателя 3, установленного на антенном зеркале 1. Радиопрозрачный обтекатель 3 в предпочтительном варианте реализации имеет параболоидную форму, симметричную антенному зеркалу (фиг. 2), и выполнен из стеклопластика, отличающегося высокими радиотехническими характеристиками, обеспечивающими сохранение качества передаваемых и принимаемых антенной сигналов и включающими в себя обеспечение максимального коэффициента прохождения радиоволны и минимальных фазовых искажений фронта прошедшей волны. Радиопрозрачный обтекатель 3 установлен на антенном зеркале 1 посредством защелкивания замками по краям зеркала (не показаны), что обеспечивает надежность фиксации и долговечность работы антенны. В других вариантах реализации крепление обтекателя может осуществляться любым другим известным специалисту способом, обеспечивающим разъёмное соединение и надежную фиксацию. Кроме того, полноповоротная антенна содержит облучатель 4, закрепленный на внутренней стороне обтекателя (фиг. 2). Крепление облучателя осуществляется в центре обтекателя при помощи приклеенного “стакана” (не показан), что обеспечивает надежную фиксацию и при этом минимально затеняет поверхность антенного зеркала 1.
Предлагаемая полноповоротная антенна обеспечивает технический результат в виде создания простой в исполнении конструкции полноповоротной антенны большого диаметра, обеспечивающей максимальную эффективность использования опорно-поворотного устройства и антенного зеркала полноповоротной антенны и, как следствие, высокое качество приема сигнала из космоса, при этом обеспечивая упрощенное обслуживание узлов полноповоротной антенны. Данный технический результат достигается благодаря тому, что антенна содержит радиопрозрачный обтекатель 3, установленный на антенном зеркале 1.
Для получения высококачественного сигнала важен размер антенного зеркала и его подвижность. ОПУ, осуществляющие подвижность антенных зеркал 1 большого диаметра, имеют сложную конструкцию и, как следствие, чем большего диаметра антенное зеркало 1, тем более сложная в исполнении конструкция ОПУ. При проектировании и расчете конструкции полноповоротной антенны, в частности, при расчете механизмов привода 5 ОПУ 2 важным параметром является ветровая нагрузка (ветровое сопротивление), действующая на антенное зеркало 1. Для антенного зеркала 1 большого диаметра, имеющего большой вес, и с учетом действующей максимальной ветровой нагрузки в лоб антенного зеркала 1 требуется ОПУ 2 с механическими приводами 5 больших угловых моментов, сложными в исполнении и обладающими большим весом. Радиопрозрачный обтекатель 3, имеющий параболоидную форму, симметричную антенному зеркалу, установлен на антенное зеркало 1 и позволяет снизить ветровую нагрузку на антенное зеркало 1 на 30-35%. Таким образом, благодаря снижению ветровой нагрузки на антенное зеркало 1 появляется возможность увеличивать ее диаметр без существенного усложнения конструкции ОПУ 2. Например, ОПУ, рассчитанное для работы с антенным зеркалом диаметра 4,0 м без радиопрозрачного обтекателя, можно использовать для установки на него антенного зеркала диаметром 5,0 м с радиопрозрачным обтекателем. При этом вес радиопрозрачного обтекателя, установленного на антенное зеркало, изменяет вес антенного зеркала несущественно, т.к. он выполнен из достаточно легкого материала.
Кроме того, в данном варианте реализации полезной модели радиопрозрачный обтекатель 3 выполнен в один слой, что обеспечивает прохождение радиосигнала с минимальными потерями, т.е. с сохранением качества передаваемых и принимаемых данных. Таким образом, предложенная конструкция полноповоротной антенны с максимальной эффективностью использования ее узлов обеспечивает высокое качество сигнала, принимаемого полноповоротной антенной из космоса.
В качестве наглядного примера действия ветровых нагрузок на антенное зеркало без обтекателя на фигурах 3 и 4 приведены примеры трехмерной модели антенного зеркала 1 с действующими ветровыми нагрузками в «лоб» и «сзади». На трехмерной модели антенного зеркала без обтекателя с действующими на него ветровыми нагрузками «в лоб» (фиг. 3) видно, что антенное зеркало не только принимает на себя ветровое сопротивление своей рабочей стороной 6, но и принимает нагрузку из-за концентрации воздушного потока с обратной стороны 7, что приводит к большим нагрузкам на ОПУ 2. При действии ветровой нагрузки «сзади» антенного зеркала 1 (фиг. 4) происходит обтекание и концентрация воздушного потока на рабочей поверхности, что также нагружает ОПУ.
На фиг. 5 приведен пример распределения ветровых нагрузок на антенное зеркало при наличии обтекателя. На трехмерной модели видно, что большая часть воздушного потока, действующего «в лоб», обтекает антенное зеркало 1 и небольшая часть концентрируется с обратной стороны, т.е. наблюдается уменьшение лобового сопротивления (давления) антенного зеркала в случае его закрытия жесткой радиопрозрачной выпуклой ячейкой в виде обтекателя, симметричного антенному зеркалу. Более теплые цвета на фиг. 5 - область превышения допустимых значений давления; более холодные тона - области уменьшения давления. Данный пример свидетельствует о снижении нагрузок на антенное зеркало 1, что также снижает нагрузки на ОПУ. Необходимо отметить, что в других вариантах реализации, в которых требуется, например, большее снижение ветровой нагрузки со стороны обтекателя (действующей «в лоб» антенному зеркалу), обтекатель может быть выполнен в форме, несимметричной антенному зеркалу.
Важно отметить, что радиопрозрачный обтекатель 3 защищает антенное зеркало 1 от осадков, таких как дождь, снег, наледь и др. Установки радиопрозрачного обтекателя на антенное зеркало большого диаметра достаточно для защиты всей конструкции полноповоротной антенны. Кроме того, предложенное решение позволит упростить конструкцию антенн, в частности, для антенн большого диаметра за счет того, что исполнение радиопрозрачного обтекателя 3 и его установка на антенное зеркало 1 использует меньше технических средств и людских ресурсов в сравнении с исполнением и установкой защитного кожуха, который закрывает всю конструкцию полноповоротной антенны.
Установка обтекателя 3 на антенное зеркало 1 также позволяет существенно упростить обслуживание узлов полноповоротной антенны большого диаметра. При проведении ремонта или каких-либо других манипуляций полноповоротной антенны большого диаметра специалист имеет свободный доступ к узлам антенны, не закрытых обтекателем. Также в большинстве случаев при ремонте и проведения различных манипуляций для антенн большого диаметра требуется использование крупногабаритной техники, например, такой как краны или габаритные инструменты, например лестницы, однако предложенный вариант крепления обтекателя не требует его снятия с антенного зеркала, чем облегчает процесс и уменьшает время ремонта.
Важно отметить, что в другом варианте реализации радиопрозрачный обтекатель может иметь другую форму, отвечающую требуемым характеристикам, а именно обеспечивать снижение ветровой нагрузки на антенное зеркало и защищать его от осадков. Таким образом, основание радиопрозрачного обтекателя, которое крепится на антенное зеркало, должно быть выполнено с размерами, позволяющими закрывать всю площадь рабочей поверхности антенного зеркала. При этом в случае если антенное зеркало испытывает меньшие ветровые нагрузки, например преимущественно направлено рабочей частью вверх, основание обтекателя может быть выполнено больших размеров, чем диаметр антенного зеркала, что позволяет снизить ветровые нагрузки и увеличить площадь защиты от осадков. Форма обтекателя должна обеспечивать наименьшее лобовое сопротивление при обтекании струями воздуха, т.е. не иметь высокой рельефности, которая бы увеличивала сопротивление. Кроме того, радиопрозрачный обтекатель должен быть легким, чтобы не увеличивать нагрузку на ОПУ, что достигается за счет подбора материала и оптимальной формы обтекателя, которая учитывает конструкцию антенного зеркала, крепление облучателя и назначение.
Например, крепление облучателя 4 на внутренней стороне радиопрозрачного обтекателя 3 упрощает конструкцию и снижает вес, т.к. предполагает минимум дополнительных деталей для его установки. Использование минимума деталей для установки облучателя 4 (без штанг, которые удерживают облучатель антенны в известных вариантах) позволяет избавиться от затенения поверхности антенного зеркала 1, что способствует максимально эффективному использованию антенного зеркала 1 и его работы без потерь при приеме или передаче сигнала. Учитывая предложенное крепление облучателя целесообразно использовать обтекатель параболоидной формы, выполненный из жесткого материала, позволяющего зафиксировать на нем облучатель, при этом в случае размещения облучателя в центре обтекателя его форма должна быть симметричной антенному зеркалу, как было указано выше (фиг. 2). В случае увеличения фокусного расстояния антенного зеркала, что предполагает увеличение расстояния между антенным зеркалом и облучателем, обтекатель может быть выполнен более выпуклым (не симметричным), чем в предыдущем варианте. Кроме того, при необходимости установки облучателя не в центре обтекателя, обтекатель может быть выполнен параболоидной формы и выпуклой частью направлен в сторону установки облучателя, что позволит, не увеличивая веса обтекателя, обеспечить снижение ветровой нагрузки на антенное зеркало.
Также на обтекатель, выполненный из жесткого материла, возможно установить облучатель 4, выполненный с возможностью перемещения относительно антенного зеркала 1, например облучатель крепится в центре обтекателя при помощи приклеенного “стакана” с вставленным в него шаговым двигателем, который вращает первое плечо (в плоскости, параллельной зеркалу), в конце которого установлен второй двигатель, вращающий второе плечо с установленном на его конце облучателем. Такая равноплечая конструкция, управляемая дистанционно по проводам или беспроводным образом, позволяет смещать облучатель произвольно в плоскости, параллельной зеркалу. Подвижность облучателя 4 обеспечивает простая в исполнении конструкция, имеющая в составе привод, управляемый на расстоянии или заранее заданными операциями, причем предложенная конструкция минимально затеняет поверхность антенного зеркала 1. Подвижность облучателя 4 позволит максимально улучшить точность наведения антенны в случае грубого (неточного) наведения с помощью ОПУ, что повысит качество информации.
Кроме того, возможна конструкция полноповоротной антенны, в которой облучатель 4 закреплен на внутренней стороне антенного зеркала 1 и выполнен с возможностью перемещения или поворота относительно антенного зеркала 1, что может быть необходимо для улучшения точности наведения антенны для корректировки приема и передачи данных, как и в случае, когда облучатель 4 установлен на обтекателе. При креплении облучателя 4 на внутренней стороне антенного зеркала 1 дополнительно на внутренней стороне обтекателя устанавливают контррефлектор для реализации двухзеркальной схемы антенны.
Настоящая полезная модель не ограничена конкретными вариантами реализации, раскрытыми в описании в иллюстративных целях, и охватывает все возможные модификации и альтернативы, входящие в объем настоящей полезной модели, который определен формулой полезной модели.