УЛЬТРАКОРОТКОВОЛНОВАЯ АНТЕННА
ULTRA-SHORT-WAVE ANTENNA

Изобретение относится к электрорадиотехнике, а именно к антенной технике и предназначено для использования в радиолиниях ультракоротковолновой (УКВ) связи в качестве самостоятельной подземной приемно-передающей антенны или в качестве элемента в составе УКВ фазированных антенных решеток (ФАР), к которым предъявляют повышенные требования по устойчивости к вибрационным и ударным нагрузкам и к стабильности формы диаграммы направленности (ДН) в рабочем диапазоне частот, заявленная УКВ антенна также может использоваться в составе аппаратуры маркерных сигналов фиксируемых, например, летательным аппаратом (ЛА).
Известны УКВ подземные антенны (ПА), например, УКВ ПА, используемая в качестве элемента подземной ФАР по патенту RU №2133531, опубл. 20.07.1999 г. Аналог состоит из двух ортогональных излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды или на ее поверхности. Излучатели выполнены в виде четырехугольника, симметричного относительно его продольной оси и с отличающимися углами α и β при вершинах. Излучатели подключены с помощью высокочастотного фидера к выходу передатчика.
Недостатком аналога является низкая эффективность (коэффициент полезного действия - КПД) из-за существенного затухания излученного поля в полупроводящей среде.
Известна также ПА по патенту RU №2472263, опубл. 10.01.2013. ПА состоит из плоского ортогонального излучателя, размещенного в пределах полупроводящей среды (ППС). Излучатели с помощью отрезков коаксиального кабеля подключены к фидерному тракту. Излучатель расположен в котловане, на дне которого установлен металлический экран (МЭ). Объем котлована заполнен грунтом.
Недостатком аналога является также низкий КПД из-за поглощающего действия ППС.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей технической сущности к заявленному объекту является УКВ антенна по патенту США №2120241, опубл. 14 июня 1938 г.
Антенна-прототип установлена в котловане, оборудованном в толще ППС, например, в земле. Стенки и дно котлована укреплены гидроизоляцией и металлизированы. Раскрыв котлована снабжен водонепроницаемой и радиопрозрачной крышкой. В котловане размещен излучатель, подключенный к высокочастотному (в.ч.) фидеру и скрепленный с механизмом управления положением излучателя (МУПИ). МУПИ выполнен в виде контейнера, удерживаемого на дне котлована упорами. Роль МЭ выполняет металлизированное дно котлована.
Благодаря МУПИ обеспечивается возможность ориентации диаграммы направленности (ДН) излучателя в требуемом направлении.
p
p
Недостатком ближайшего аналога является узкий диапазон рабочих частот, в котором обеспечивается сохранение требуемой формы ДН, что обусловлено изменением в диапазоне рабочих частот электрической высоты излучателя относительно МЭ, т.е. изменением h/λ, где h - высота излучателя над МЭ, λ - рабочая длина волны. Кроме того, прототип обладает относительно малым КПД из-за поглощающего действия ППС.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленной УКВ антенны, является расширение диапазона рабочих частот, в котором обеспечивается стабильность требуемой формы ДН, при сохранении ориентации максимума ДН в зенит и повышение КПД антенны.
Технический результат достигается тем, что в известной УКВ антенне, погруженной в котлован, оборудованный в ППС и снабженный влагонепроницаемой крышкой (ВПНК), установленной в раскрыве котлована, содержащей излучатель, размещенный над МЭ и подключенный к высокочастотному (в.ч.) фидеру, МУПИ, размещенный в котловане.
МЭ установлен на ВНПК. Над МЭ установлен радиопрозрачный обтекатель (РПО) с запрессованным в нем излучателем. МУПИ состоит из винтовых домкратов (ВД), взаимодействующих с коническим редуктором (КР). КР закреплен на валу реверсивного электродвигателя (РЭД) подъема/спуска излучателя. РПО через соосные отверстия в ВНПК и МЭ закреплен на верхних торцах упоров ВД. Для контроля высоты излучателя над МЭ введен блок контроля высоты (БКВ) подъема/спуска излучателя.
Входы БКВ подключены к датчикам высоты (ДВ) излучателя. ДВ закреплены в нижней части упоров ВД. В.ч. фидер, подключенный к входу излучателя, выполнен витым и размещен в вертикально закрепленном в котловане тубусе. РПО выполнен из полимерного материала и закреплен на верхних торцах опор ВД посредством вращающихся гайка-подшипников.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленной УКВ антенне достигается возможность стабилизации в более широком диапазоне рабочих частот электрической высоты (соотношения h/λ) излучателя над МЭ, что указывает на сохранение ориентации максимума ДН антенны в вертикальной плоскости (в зенит). Кроме того, излучатель во всем рабочем диапазоне находится выше раскрыва котлована, что снижает потери в ППС и, следовательно, повышает КПД антенны в целом, т.е. обеспечивает достижение указанного технического результата.
Заявленная антенна поясняется чертежами, на которых показано:
Фиг. 1- общий вид УКВ антенны;
Фиг. 2 - вид сверху на УКВ антенну;
Фиг. 3 - форма ДН в зависимости от электрической частоты излучателя;
Фиг. 4 - рисунок, поясняющий работу антенны в динамике;.
Заявленная УКВ антенна, показанная на фиг.1, состоит из излучателя 1, запрессованного в РПО 2, выполненного, например, из полимерного материала. В зависимости от требуемой поляризационной структуры излучаемого поля (линейной или вращающейся) излучатель выполняют в виде линейного симметричного вибратора или двух ортогональных симметричных вибраторов (см. фиг. 2).
a
а
В исходном (свернутом) состоянии УКВ антенны РПО 2 размещен непосредственно на МЭ 3, который, в свою очередь, установлен на ВНПК 4, закрепленной в раскрыве котлована 5. Котлован 5 оборудован в полупроводящей среде 6, например, в земле. Стенки котлована 5 укреплены водонепроницаемыми панелями 7, исключающими обвал грунта котлована 5 и накопления в нем влаги. В полости котлована 5 размещен МУПИ, состоящий из ВД 8, взаимодействующих с коническим редуктором (КР) 9, который закреплен на валу РЭД 10 подъема/спуска излучателя (1). Электропитание РЭД 10 подводят с помощью электрокабеля 11. РПО 2 через соосные отверстия в ВНПК 4 и МЭ 3 закреплен на верхних торцах упоров 12 ВД 8. Нижние части каждого из упоров 12 установлены в защитной трубе 13, на которой закреплены по N магнитных датчиков высоты (МДВ) 14. На фиг. 1 на каждой защитной трубе 13 показано по три МДВ 14 (N=3). Выходы каждого из МДВ 14 подключены к соответствующему входу блока контроля датчиков (БКД) 15, выход которого подключен к входу блока управления высотой (БУВ) 16 излучателя 1. Излучатель 1 подключен к в.ч. фидеру 17, который выполнен витым и размещен в тубусе 18, установленном вертикально на технологической перегородке 19 (см. фиг. 1). Часть в.ч. фидера 17 от точки «'» до точки «''» запрессована в РПО 2 и является несъемной частью. С технологической перегородкой 19 скреплен конический редуктор 9.
РПО 2 через соосные отверстия в ВНПК 4 и МЭ 3 закреплен на верхних торцах упоров 12 посредством вращающихся гайкаподшипников 20. Винтовые домкраты 8 скреплены с технологической перегородкой 19, через отверстия в которой пропущены соответствующие упоры 12 винтовых домкратов 8.
БКД 15 предназначен для фиксации сигналов от соответствующих МДВ 14 при достижении заданной высоты h излучателя 1 над плоскостью МЭ 3 и последующей передачи этих сигналов с выхода БКД 15 на вход БУВ 16 излучателя, в котором вырабатывают управляющий сигнал на включение / выключение питания РЭД 10 подъема/спуска излучателя 1. Элемент, задающий команду на включение/выключение и направление вращения РЭД 10 на приведенных фигурах на показан.
В качестве РЭД 10 может быть использован выпускаемый промышленностью реверсивный электродвигатель, например, типа 6OYN6-2 (см., например http://www.lepse.com/products/163/).
Конический редуктор 9 предназначен для синхронной передачи вращательного момента от вала РЭД 10 на ВД 8 (всего в конструкции антенны четыре ВД 8, см. фиг. 2).
В качестве конического редуктора 9 могут быть использованы выпускаемые промышленностью редукторы на четыре выхода, например, типа DZ Transmissioni (см., например, htttp://www.servomh.ru/reduktory/ konicheskie).
Винтовые домкраты 8 предназначены для подъема на заданную высоту h излучателя 1 над плоскостью МЭ 3 и с помощью винтовых упоров 12 удержания излучателя 1 на выбранной высоте h. В качестве винтового домкрата 8 могут быть использованы выпускаемые промышленностью винтовые домкраты, например, типа Rhombus - 911 (см., например, http://sevzappm.ru/domkraty/vintovye).
МДВ 14 предназначены для формирования сигнала о достижении заданной высоты h излучателя над плоскостью МЭ 3 и передачи этого сигнала на соответствующий вход БКД 15. В каестве МДВ 14 могу быть использованы известные индуктивно-проводные датчики (см., например, https://docs.cntd.ru/document/1200112850 ГОСТ 32783-2014 «Датчики индуктивно-проводные. Требования безопасности и методы контроля).
min
max
min
max
Заявленное устройство работает следующим образом. В исходном (нерабочем) состоянии РПО 2 расположен непосредственно на МЭ З. При заданном диапазоне рабочих частот (F-F), или соответствующем диапазоне рабочих длин волн (λ-λ) предварительно общий диапазон разбивают на несколько поддиапазонов (например, на 3 поддиапазона), в пределах каждого из которых выполняется условие 0,2<h/λ<0.3. Выполнение указанного условия обеспечивает практически сохранение требуемой ориентации максимума диаграммы направленности в зенитном направлении. В противном случае в ДН формируется провал в зенитном направлении (см. фиг. 3).
min
max
min
max
В качестве примера ниже рассмотрен случай, когда полный диапазон рабочих частот соответствует (F-F)=(100-220) МГц, что соответствует диапазону рабочих длин волн: (λ-λ)=(3-1,4) м.
ср
ср
Далее заданный общий диапазон разбивают на 3 поддиапазона: I поддиапазон: (100-140) МГц; (3-2,1) м; λ'=2,55 м; 0,25 λ'=0,63 м.
ср
ср
II поддиапазон: (140-180) МГц; (2,1-1,7) м; λ''=1,9 м; 0,25 λ''=0,475 м.
ср
ср
III поддиапазон: (180-220) МГц; (1,7-1,36) м; λ'''=1,53 м; 0,25 λ'''=0,38 м.
ср
Следовательно, при работе в I поддиапазоне высота h' подъема излучателя (1) над МЭ (3) должна составлять h'=0.25 λ'=0,63 м; во втором поддиапазоне h''=0,25 λ''=0,475 м; в третьем поддиапазоне h'''=0.25 λ'''=0,38 м.
При выполнении указанных условий электрическая высота излучателя над экраном h/λ будет изменяться в пределах:
1
1
в первом поддиапазоне h/λ=(0,22-0,28), см. фиг.4а;
2
2
во втором поддиапазоне h/λ=(0,23-0,28), см. фиг.4б;
3
3
в третьем поддиапазоне h/λ=(0,21-0,3), см. фиг.4в.
Такое изменение соотношения h/λ в каждом из поддиапазонов не изменяет уровня излучаемого электромагнитного поля в зенитном направлении (см. фиг. 4), и следовательно сохраняет энергетический потенциал в радиолинии, во всем рабочем диапазоне частот.
Кроме того, излучатель всегда находится в воздушной среде, что практические исключает дополнительные тепловые потери в ППС 6, окружающий котлован 5.
Таким образом благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном устройстве при его эксплуатации, обеспечивается в более в широком диапазоне частот сохранение требуемой формы ДН с максимумом, ориентированным в зенитном направлении и повышение КПД антенны за счет снижения тепловых потерь в ППС, т.е. достигается указанный технический результат.