МАЛОГАБАРИТНОЕ КОРОТКОВОЛНОВОЕ АНТЕННО-ФИДЕРНОЕ УСТРОЙСТВО "МРВ"

Полезная модель относится к антенной технике - малогабаритным коротковолновым антеннам (антеннам с размерами, не превышающими удвоенную рабочую длину волны и составленные из электропроводящих активных излучающих элементов - H01Q 9/04), и может быть использовано любыми организациями и ведомствами при создании, эксплуатации систем радиосвязи на KB (коротких волнах). Это устройство представляет собой антенну в виде рамки, и использует новую и уникальную схему подведения энергии к полотну антенны (излучателю).
Предпосылки к созданию полезной модели
Использование малогабаритных рамочных антенн относится к самым ранним дням радио. От их скромного начала до сегодняшнего дня рамочные антенны различных типов, конфигураций и форм эволюционировали и служили многим полезным целям. Наиболее значительным среди них было применение рамочной антенны для пеленгования. Необходимо отметить, что настроенные рамочные антенны, имеющие размеры, малые по отношению к длине волны, использовались почти исключительно для целей приема. Причины такого ограниченного использования делятся на две категории. Во-первых, некоторые типы рамочных антенн обеспечивают значительное улучшение общего отношения сигнал/шум по сравнению с другими общими типами антенн, которые по приему воспринимают индустриальные помехи и техногенные шумы. Во-вторых, практическая схема подведения энергии к полотну антенны не была доступна, что обеспечивает достаточную эффективность, простую настройку в широком частотном диапазоне и согласование импеданса для большинства передающих радиостанций. Эффективность некоторых типов рамочных антенн для приема радиостанций в высокочастотном диапазоне и ниже уже давно признана хорошей. Популярность этих антенн проистекает из простого факта, что небольшая одновитковая антенна, демонстрирует характеристику того, что она почти полностью реагирует на магнитную составляющую, будучи практически нечувствительной к электрической составляющей ЭМП той же волны. В нормальном поле излучения (радиоволны) величина электрического вектора на 120 π больше, чем величина магнитного вектора, причем разница обусловлена внутренним импедансом. Однако поля индукции, связанные с искусственным шумом, имеют компоненты электрического поля, многократно превышающие составляющие нормального поля излучения. Таким образом, одновитковая, настроенная рамочная антенна, будучи по существу чувствительной только к магнитному полю, обеспечивает высокую степень подавления приема таких шумов по отношению к антенне, такой как диполь, который чувствителен как к электрической составляющей, так и магнитной составляющей поля волны. На частотах ниже, чем 10 МГц, улучшение отношений сигнал/шум более 20 дБ относительно простого диполя не является чем-то необычным, когда принимающая среда используется в серьезных источниках искусственного шума.
Еще одна важная особенность малогабаритных рамочных антенн, которые являются преимуществом перед традиционными вертикальными настроенными штырями или небольшими настроенными горизонтальными дипольными антеннами, - это уникальная диаграмма направленности. Если рамочная антенна ориентирована так, что плоскость излучателя перпендикулярна земле и если она помещена на высоту, менее четверти длины волны над землей, имеющей идеальную проводимость, она будет демонстрировать почти равномерное излучение под всеми углами от горизонта до зенита в плоскости петли. Энергия, излучаемая такой антенной, вертикально поляризована в горизонте, и горизонтально поляризована над головой (зенитный угол) (фигура 7). Таким образом, можно видеть, что небольшая рамочная антенна обладает отличительным свойством - имеет излучение при передаче и приему как на дальних расстояниях (посредством малого угла вертикально поляризованного распространения) или на коротких и средних расстояниях (посредством горизонтально поляризованных распространение наклонного падения). Для сравнения, настроенная штыревая антенна полезна только для распространения с вертикальной поляризацией, так как она имеет излучение при углах 30-45°. Таким образом, штыревая антенна полезна только для связи на очень коротких расстояниях посредством распространения земной волной или на дальних расстояниях посредством распространения отраженной волной. Горизонтальная дипольная антенна, расположенная на высоте не менее 1/2 длинны волны над землей, демонстрирует максимальную мощность при определенном угле излучения относительно земли. Это значит возникает «мертвая зона». Из всего вышеизложенного следует, что надлежащим образом сконструированная небольшая, настроенная рамочная антенна может найти значительную пользу в качестве антенной системы общего назначения, в частности для мобильных или бортовых объектов, крыши городских зданий, требующих небольших размеров, которые могут использоваться для коротких, средних и дальних радиотрасс.
По принципу подведения энергии к полотну, можно представить электрическую схему питания антенны, как схему простого трансформатора, имеющего настроенные первичную и вторичную обмотки. Первичная обмотка - излучатель 1, вторичная обмотка - петля питания 7 (фигура 1). В заявленной полезной модели применяется небольшая настроенная петля питания, которая помещается внутри настраиваемого внешнего первичного контура (излучателя) и в плоскости первичного контура. Петля питания расположена вдоль внутреннего края излучателя. Диаметр питающей петли выбирается так, чтобы обеспечить точное соответствие импеданса антенны, при котором входное сопротивление будет постоянным на большем участке частот. Эта структура обеспечивает значительно более широкий диапазон перестройки антенны по частоте с более высокой эффективностью и почти с более постоянным импедансом, чем классические типы антенн, типа штырь, диполь, треугольник.
По способу настройки, можно представить, как добротный контур, настроенный на определенную частоту, где L - излучатель 1 (фигура 1), С - конденсатор переменной емкости (КПЕ) 6 (фигура 1). Для перестройки антенны по частоте необходимо изменить емкость, поворотом КПЕ.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является широкополосная настраиваемая передающая рамочная антенна. Патент США №3,588,905 от 28 июня 1971 года.
Эта конструкция имеет излучатель в виде эллипса, диаметром 1,524 м (5 футов, 1 фут = 0,3048 м), выполненный из алюминия трубы толщиной от 7 до 12 см (3-5 дюймов), вакуумный КПЕ емкостью 25-1000 пФ, что позволяло перекрывать диапазон от 3 до 15 МГц.
Недостатками данной конструкции являются:
- слишком толстая труба излучателя - компьютерные расчеты при моделировании показали, что КПД антенны, при толщине излучателя 30 мм, является оптимальным, при увеличении толщины излучателя КПД антенны не увеличивается;
- монолитная конструкция излучателя затрудняет транспортировку антенны;
- использование вакуумного конденсатора - если вакуумный КПЕ имеет стеклянный корпус, то может привести к разбитию стекла при транспортировке, а также малоэффективная работа антенны на более низкой частоте, при использовании максимальной емкости конденсатора, (теоретические расчеты и практика показали, что для работы антенны на низкочастотном участке KB диапазона достаточно иметь емкость КПЕ от 25 до 550 пФ);
- элемент крепления петли питания не выдержит большой ветровой нагрузки.
Задача, на решение которой направлено заявленное устройство, заключается в возможности быть быстро разобранной для транспортировки к новому месту установки, в принципиальном упрощении конструкции антенны и возможности интеграции антенны в конструкцию полнофункционального устройства (кроме антенны, здесь и мачта, и кабель питания, оттяжки и управление перестройкой по частоте).
Конструкция заявляемой полезной модели - малогабаритное коротковолновое антенно-фидерное устройство «МРВ» (фигура 1), состоит из малогабаритной KB антенны (тип антенны - магнитная рамка), стеклопластиковой мачты, комплекта оттяжек, коаксиального кабеля и кабеля питания с разъемами, пульта управления.
АФУ «МРВ» - это антенно-фидерное устройство - Магнитная Рамка Владимирова.
Антенна состоит из:
Излучателя, в виде круга 1 (фигура 1), который выполнен из алюминиевой трубы, диаметром 30 мм, толщиной стенки 2 мм, материал - АД-31Т, для удобства транспортирования, излучатель состоит из нескольких сегментов (фигура 2), которые соединяются межсекционными вставками (фигура 3, 4). В разрыв круга вставляется конденсатор переменной емкости (КПЕ) с воздушным диэлектриком, расположение пластин в виде «бабочки», и выполнены из 1 мм листового дюраля, зазор между статорными и роторными пластинами позволяет работать при реактивном напряжении до 10 кВ, т.е. допустимая мощностью радиостанции до 150 ватт. Крепится к элементам излучателя при помощи специальных сухарей и концевых вставок. Для защиты от внешних воздействий (климатических, физических) конденсатор находится в радиопрозрачном стеклопластиковом тубусе 6 (фигура 1), выполненный из стеклопластиковой трубы диаметром 200 мм. В движение конденсатор приводится при помощи электродвигателя с напряжением 12 вольт (реверсивного), управление мотором осуществляется при помощи пульта управления (фигура 6), который располагается рядом с оператором, сигнал от пульта к электромотору подается по двухпроводному кабелю, в двойной изоляции.
Петля питания 7 (фигура 1), которая выполнена из 50-омного коаксиального кабеля, для жесткости кабель размещен в пластиковой трубе. Труба ПНД герметично соединена с коммутационной пластиковой коробкой 4 (фигура 1), в днище которой врезаны два разъема, один для подключения высокочастотного разъема коаксиального кабеля и второй для подключения разъема кабеля управления. Коробка снабжена элементами крепления к трубостойке. В верхней точке петля питания крепится к трубостойке 3 (фигура 1) при помощи специального зажима. Кабель управления от пластиковой коробки к электромотору проходит внутри трубостойки 3 (фигура 1).
Оттяжки крепятся к трубостойке 3 (фигура 1) при помощи узла крепления оттяжек (фигура 5). Материал оттяжек витой шнур Dan-line, толщиной 5 мм, с усилием на разрыв 450 кг.
Антенна подключается к передатчику или приемнику с помощью фидерной линии (коаксиальный кабель 50 Ом), снабженный высокочастотными разъемами.
Вся конструкция антенны грунтуется и красится порошковой краской, кроме цвета получаем декоративно-защитное полимерное покрытие.
В виде мачты используется 2-х метровая стеклопластиковая трубостойка диаметром 44 мм, с толщиной стенки 6 мм.
Частотный диапазон, в котором работает антенна, зависит от емкости КПЕ, максимальная емкость КПЕ - нижняя граница рабочей частоты антенны, минимальная емкость - верхняя граница рабочей частоты антенны.
Малогабаритное коротковолновое антенно-фидерное устройство «МРВ» работает следующим образом. Перестройка по частоте осуществляется оператором. Переключив радиостанцию на другую частоту, оператор, нажимает одну из кнопок на пульте управления (фигура 6), чем приводит в действие электродвигатель КПЕ, и удерживает кнопку до появления максимального шума в динамике, или по максимуму отклонения стрелки прибора радиостанции (приемника) - показывающего уровень принимаемого сигнала (если такой есть). После настройки по приему, оператор проводит сеанс радиосвязи.
Техническим результатом настоящей полезной модели является возможность быть разобранной для транспортировки до места установки, возможность работы на KB без использования больших площадей и высоких мачт; возможность использовать антенну как АЗИ (антенну зенитного излучения) только на низкочастотных участках KB диапазона, а это значит повышение надежности KB радиосвязи в так называемых «мертвых зонах», не требуется юстировать антенну на корреспондента, так как антенна имеет круговую диаграмму направленности, (фигура 7) показывает, что излучение антенны в горизонте выглядит как «восьмерка», и имеется минимум в 5-7 градусов (фигура 8), этот минимум можно определить только в «ближней» зоне (одна длинна волны), что позволяет отстраиваться от помех в городских условиях, на остальных радиотрассах (при неоднократных тестах и проверках) диаграмма направленности - круговая.
Технический результат полезной модели достигается тем, что малогабаритное коротковолновое антенно-фидерное устройство «МРВ» имеет возможность быть разобранной для транспортировки, за счет того, что антенна выполнена в виде круга из алюминиевой трубы, который состоит из сегментов, соединенных между собой межсекционными вставками, а также антенна имеет в комплекте все необходимое для работы в эфире на KB (кроме радиостанции): саму антенну, коаксиальный кабель, стеклопластиковую мачту, оттяжки, пульт перестройки по частоте, кабель управления.