АНТЕННА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
AIRCRAFT ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к области антенн летательных аппаратов. Может быть использовано в дециметровом диапазоне длин волн в качестве передающей или приемной антенны летающего аппарата (ЛА), имеющего участок траектории с пониженным атмосферным давлением, на котором необходимо передавать или принимать радиосигналы.
К
К
Д
К
К
К,
Известна антенна ЛА (патент RU №2136090, приоритет от 27.10.1997, «Антенна летательного аппарата» авторов Ионовой С.П., Помазкова А.П., опубл. 27.08.1999, БИ №24), содержащая открытый с одного конца цилиндрический резонатор (ЦР), коаксиальный соединитель, размещенный на нижней крышке ЦР, возбудитель (излучатель) и согласующее устройство, расположенные в полости этого же ЦР. Возбудитель содержит две половины внешних трубчатых проводников, соединенных между собой над коаксиальным соединителем с центром в точке A, и проводник, размещенный в одной из половин трубчатого проводника. Внешние трубчатые проводники имеют зазор диаметрально противоположно коаксиальному соединителю с центром в точке B и расположены симметрично относительно линии, соединяющей центры A и B и являющейся диаметром D окружности кольца. Каждая из половин трубчатых проводников содержит две дуги и кольца диаметром D и длиной l каждая, начинающихся от точки A и зазора соответственно, расположенных по окружности D симметрично относительно диаметра D, перпендикулярного диаметру, соединяющему центры A и B, П-образный отрезок с перемычкой. Перемычка лежит на окружности диаметра Dсимметричного относительно того же диаметра, что и дуги, и двумя боковыми сторонами, и два прямолинейных отрезка, соединяющих вторые концы дуг с концами боковых сторон П-образного отрезка и образующих угол α с этими сторонами.
Антенна ЛА работает следующим образом. Высокочастотный (ВЧ) соединитель сигнал от передатчика через коаксиальный соединитель, внутренний проводник и согласующий трансформатор подводит к точке питания антенны - возбудителю (излучателю). ВЧ ток, протекающий по возбудителю, возбуждает в раскрыве ЦР электромагнитное поле (ЭМП) линейной поляризации. Раскрыв ЦР излучает электромагнитное поле через радиопрозрачную теплозащитную вставку (РТЗВ) антенны в свободное пространство.
Установка антенны на боковой поверхности ЛА осуществляется заподлицо с внешней металлической боковой поверхностью ЛА.
Указанная антенна является наиболее близкой по технической сущности к заявляемой антенне и поэтому выбрана в качестве наиболее близкого аналога.
Недостатками аналога являются сложность формы излучателя, следствием этого является низкая технологичность изготовления антенны.
Технические результаты, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в упрощении конструкции излучателя, повышении технологичности изготовления, уменьшении габаритов, расширении функциональных возможностей, повышении надежности.
Данные технические результаты достигаются тем, что в антенне летательного аппарата, содержащей излучатель, согласующий элемент, открытый с одного конца цилиндрический резонатор, частично заполненный диэлектриком, в котором расположен коаксиальный соединитель, установленный в нижней крышке цилиндрического резонатора, при этом излучатель жестко закреплен на диэлектрике, а центральный проводник коаксиального соединителя удлинен внутрь цилиндрического резонатора и соединен с излучателем, новым является то, что излучатель выполнен в виде кольца, согласующий элемент выполнен в виде двух шлейфов, первый из которых одним концом соединен с излучателем, а другим - с нижней крышкой цилиндрического резонатора, при этом первый шлейф установлен в диэлектрике параллельно центральному проводнику коаксиального соединителя, второй шлейф одним концом соединен с боковой стенкой цилиндрического резонатора, а другим - с участком излучателя, расположенным между точками соединения излучателя с центральным проводником коаксиального соединителя и первым шлейфом, дополнительно в нижней крышке цилиндрического резонатора под излучателем в диэлектрике установлен с возможностью осевого перемещения настроечный элемент, при этом диэлектрик выполнен в виде крестообразной подставки, а излучатель установлен таким образом, что оси симметрии излучателя, цилиндрического резонатора и прямая, проходящая через середину указанного участка излучателя параллельно оси симметрии излучателя, расположены в одной плоскости продольного сечения антенны.
За счет применения излучателя в виде кольца упрощается конструкция, уменьшаются габариты, увеличивается полоса согласования антенны, снижается возможность СВЧ-пробоя антенны без дополнительных конструктивных мер, что приводит к повышению надежности. Упрощение конструкции излучателя, отсутствие дополнительных конструктивных элементов для снижения возможности СВЧ-пробоя антенны позволяют повысить технологичность изготовления. Применение в конструкции антенны диэлектрика в виде крестообразной подставки позволяет уменьшить массогабаритные показатели и повысить устойчивость к механическим нагрузкам в условиях применения на ЛА. Применение настроечного элемента обеспечивает смещение полосы согласования относительно центральной частоты, что расширяет функциональные возможности антенны.
Расположение настроечного элемента практически диаметрально противоположно питающему шлейфу под излучателем (выбрано исходя из того, что в этом месте излучателя поле имеет максимальное значение), что увеличивает величину емкостной связи с настроечным элементом, что приводит к более широкой возможности подстройки рабочей частоты антенны.
На фиг.1 приведен эскиз варианта предлагаемой антенны (вид сверху), на фиг.2 - эскиз варианта предлагаемой антенны (разрез А-А), на фиг.3 - эскиз предлагаемой антенны (разрез Б-Б). На фиг.4 - эскиз установки антенны на боковой поверхности ЛА. На фиг.5 и 6 приведены характеристики антенны на частоте 1,055 ГГц: настройка по КСВ и диаграмма направленности соответственно.
Антенна ЛА (фиг.1, фиг.2, фиг.3) содержит открытый с одного конца цилиндрический резонатор 1, частично заполненный диэлектриком 2, согласующий элемент 3, 4 коаксиальный соединитель 5, настроечный элемент 6, излучатель 7, верхнюю крышку 8, внешний корпус 9, фланец 10.
Коаксиальный соединитель 5 установлен в нижней крышке цилиндрического резонатора 1. Центральный проводник 11 коаксиального соединителя 5 соединен с излучателем 7 и является питающим шлейфом.
Согласующий элемент выполнен в виде двух шлейфов 3 (фиг.1, фиг.2) и 4 (фиг.3). Один конец первого шлейфа 4 (фиг.3) соединен с излучателем 7, а другой - с нижней крышкой цилиндрического резонатора 1. При этом первый шлейф 4 установлен в диэлектрике 2 параллельно центральному проводнику 11 коаксиального соединителя 5 (фиг.3). Второй шлейф 3 одним концом соединен с боковой стенкой цилиндрического резонатора 1, а другим - с участком излучателя 7, расположенным между точками соединения излучателя 7 с центральным проводником 11 и первым шлейфом 4 (фиг.1, фиг.2, фиг.3).
Настроечный элемент 6 установлен в нижней крышке цилиндрического резонатора 1 под излучателем 7 в диэлектрике 2 с возможностью осевого перемещения. Настроечный элемент 6 расположен диаметральнопротивоположно относительно оси симметрии излучателя 7 прямой (не показана), проходящей через середину указанного участка излучателя 7 параллельно оси симметрии излучателя 7. Настроечный элемент 6 выполнен в виде винта, на конце которого закреплен диск диаметром 10 мм.
Излучатель 7 выполнен в виде кольца и жестко закреплен на диэлектрике 2 с помощью верхней крышки 8. Излучатель 7 установлен таким образом, что оси симметрии излучателя 7 и цилиндрического резонатора 1 и прямая, проходящая через середину указанного участка излучателя параллельно оси симметрии излучателя 7, расположены в одной плоскости продольного сечения антенны. Размер излучателя 7 выбирается под определенную рабочую частоту.
Диэлектрик 2 выполнен в виде крестообразной подставки (фиг.1), в которой расположены настроечный элемент 6, коаксиальный соединитель 5 и первый шлейф 4.
Крестообразную подставку 2 и крышку 8 изготавливают из фторопласта. Шлейфы 3, 4 обеспечивают настройку антенны и являются согласующими элементами между коаксиальным соединителем 5 и кольцевым излучателем 7.
Цилиндрический резонатор 1 дополнительно установлен во внешний корпус 9. Фланец 10 располагается на внешнем корпусе 9.
Эскиз установки антенны на боковой поверхности ЛА (фиг.4) содержит фланец 10 антенны, фрагмент 12 ЛА, РТЗВ 13, ТЗП 14. Фланец 10 антенны крепится винтами к посадочному месту антенны внутри ЛА, таким образом, чтобы верхний край цилиндрического резонатора 1 и кольцевого излучателя 7 практически совпадали с боковой поверхностью ЛА, а верхняя крышка 8 возвышалась над боковой металлической поверхностью 12 ЛА. Апертура с внешней стороны антенны 15 закрыта РТЗВ 13, остальная поверхность ЛА - штатным ТЗП 14.
Антенна летательного аппарата работает следующим образом.
0
cp
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mi>L</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>3</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>8</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>F</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msqrt><mn>2</mn></msqrt></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mi>м</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>L</mi><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mi>м</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Выбор размеров кольцевого излучателя 7 производится следующим образом. Выбирают центральную рабочую частоту F (Гц). Далее средний диаметр кольцевого излучателя 7 определяют исходя из того, что длина окружности L кольцевого излучателя 7 для среднего радиуса R равна половине длины волны
с учетом крестообразной подложки 2 из фторопласта с относительной диэлектрической проницаемостью ε=2 и вычисляется по формуле
, таким образом, получаем:
.
Высокочастотный (ВЧ) сигнал от передатчика (не показан) через коаксиальный соединитель 5 поступает на питающий шлейф 11, далее к точке питания кольцевого излучателя 7. ВЧ ток, протекающий по излучателю 7, возбуждает ЭМП линейной поляризации в раскрыве антенны, вектор E направлен вдоль закорачивающего шлейфа 3 (фиг.1). Возбужденное излучателем 7 ЭМП через РТЗВ 13 антенны (фиг.4) излучается в свободное пространство. Настройка антенны осуществляется настроечным винтом 6. Изменяя расстояние между краем винта, который выполнен в виде диска, и излучателем 7, смещается и рабочая частота антенны. Настроечный винт 6 перемещается в крестообразной диэлектрической подставке 2, что снижается возможность СВЧ-пробоя антенны между излучателем 7 и настроечным винтом 6.
н
Применение кольцевого излучателя 7 позволило снизить возможность СВЧ-пробоя антенны при пониженном атмосферном давлении без ее герметизации. Антенна имеет полосу согласования по уровню КСВ=2 не менее 40 МГц, настроечный винт 6 обеспечивает смещение центральной частоты и полосы согласования в пределах не менее ±20 МГц, КПД антенны не менее 70%. Диаграмма направленности в передней полусфере без глубоких провалов.
На фиг.5 и 6 приведены характеристики антенны на частоте 1,055 ГГц: настройка по КСВ и диаграмма направленности соответственно. Характеристики получены при установке антенны на металлическом листе с размерами 280×280 мм.