КОРАБЕЛЬНАЯ ПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА - 6

Полезная модель относится к элементу радиосвязи - антенной технике и может быть использована для создания фазированных антенных решеток коротковолнового (КВ) и ультракоротковолнового (УКВ) диапазонов в условиях ограниченной поверхности их размещения с целью улучшения электромагнитной обстановки работы РЭС, например, на кораблях и судах.
Известно, что несимметричный вибратор (или штырь) широко используется исходя из его высоких характеристик по массогабаритным характеристикам и направленным свойствам. Штырь занимает малую площадь при размещении, поэтому повсеместно используется на судах и кораблях, причем в значительном количестве на борту судов (несколько десятков). Однако все большее распространение приобретает направление в исследованиях по созданию малогабаритных антенных устройств с высокими параметрами по диапазонным и направленным свойствам.
Поэтому в качестве прототипа использована полезная модель патента №160164 по заявке №2015105122 от 16.02.2015 г., которая представляет собой антенную систему (фиг. 1), состоящую из N излучателей, антенных модулей, согласующего устройства на N-каналов, усилителя мощности и генератора, при этом каждый из антенных модулей представляет цилиндрический излучатель, состоящий из N кольцеобразных разрезных пластин изолированных друг от друга и соединенных с помощью перемычек, площадь пластин увеличивается пропорционально уровню размещения пластины по высоте цилиндрического излучателя, верхняя пластина цилиндра соединена с экспоненциальной нагрузкой, размещенной в активном наполнителе с параметрами ε=10 и μ=10 (фиг. 2). Рабочий частотный диапазон антенного модуля составляет от 3 до 30 МГц с коэффициентом бегущей волны тока в нем в пределах 0,6.
В полезной модели патента №160164 рассмотрен путь увеличения диапазонных свойств антенны на основе понижения погонного волнового сопротивления антенны. Причем важным является создание равного погонного волнового сопротивления вдоль всей длины  антенны или цилиндра. Достигнуто это созданием дополнительной емкости в несимметричном вибраторе, выполненном в виде непрерывно расположенных по высоте металлических изолированных друг от друга плоских пластин. При этом площадь пластин с высотой меняется в сторону увеличения, на основе того, что погонная индуктивность несимметричного вибратора неизменна по длине, а емкость погонная уменьшается с высотой.
A
A
На фиг. 2 приведено конструктивное исполнение антенного модуля, который состоит из изолированных друг от друга круглых металлических разрезных пластин. Пластины соединены между собой перемычками. Точки подключения перемычек к металлическим пластинам должны быть подобраны исходя из требований к погонным параметрам емкости и индуктивности. Электрический ток генератора или ток антенны I протекает по цепи образованной перемычками и металлическими пластинами. Причем ток антенны I протекает не по всей пластине, а по части ее, что позволяет в заданных пределах поддерживать погонную индуктивность антенны, при этом уменьшая входное индуктивное сопротивление антенны. При этом часть пластины, по которой не протекает ток, будет находиться под потенциалом, что позволит иметь заданную величину погонной емкости антенны.
На фиг. 2 дано конструктивное исполнение излучающего, антенного модуля по патенту №160164.
A
Фиг. 2 дает четкое представление о цепи протекания тока I антенны применительно к модулю патента №160164, где в нижней пластине ток подходящей к клемме «К» от питающего фидера к первой пластине, далее протекает по пластине к клемме «б». Далее от точки «б» нижней пластины ток через соединительную перемычку протекает к клемме «а» второй пластины. Протекая по части до средней части второй пластины ток подходит к ее клемме «б» и далее через перемычку к клемме «а» третьей пластины, протекая до средины которой достигает клеммы «б» и далее до следующей пластины за клеммой «а» через перемычку, и так далее до самой верхней пластины. Рассмотрим на фиг. 3 работу трех пластин в любом сечении для антенного модуля, представленного на фиг. 2.
A
A
A
A
П
П
П
A
Пусть к нижней пластине (фиг. 3), или первой пластины, ток I через перемычку достигает контактной клеммы «а», далее ток I протекает по пластине, до ее середины, к клемме «б». Далее от клеммы «б» нижней пластины ток через соединительную перемычку протекает к клемме «а» второй пластины. Протекая до средней части второй пластины, ток достигает клеммы «б» и далее через перемычку протекает к клемме «а» третьей пластины, и затем, протекая по которой достигает клеммы «б» и далее по следующей за клеммой «б» перемычке к следующей пластине, не представленной на фиг. 3, и так далее. Таким образом, показана цепь протекания тока I, обеспечивающего излучение электромагнитного поля антенному модулю. Причем, если рассмотреть протекание тока I по всей длине разрезной пластины, т.е. включить весь виток пластины, а не половину пластины, как это показано на фиг. 3, то такая цепь полного витка для протекания тока приведет к возрастанию индуктивности модуля, при этом емкость остается неизменной. Следовательно, не возможно будет достигнуть постоянства волнового погонного сопротивления W, которое есть отношение погонного индуктивного сопротивления ωL модуля к емкостному погонному сопротивлению ωС или запишется . Поэтому в антенном модуле необходимо существование токовой части пластины и емкостной части пластины (фиг. 3). При такой схеме протекания тока I, представленной на фиг. 3, когда только по токовой части или по половине вдоль каждой пластины в модуле протекает ток, возникают электродинамические проблемы, которые снижают коэффициент бегущей волны тока (КБВ). Возникающие проблемы показаны ниже.
A
Как видно из фиг. 3 каждая пластина разделена на часть пластины токовой от клеммы «а» до клеммы «б», по которой течет ток антенны I, и части пластины емкостной, в которой ток не течет. Емкостная часть необходима, как говорилось выше, для создания заданной постоянной погонной емкости излучающего модуля.
A
ПАД
ОТР
ОТР
A
Однако в части пластины емкостной, не включенной в цепь тока антенны I, образует изолированный на конце проводник, представляющий по длине половину части пластины между клеммами «а» и «в». Под действием потенциала приложенного к клемме «а» между клеммами «а» и «в» возникает ток в виде тока падающей волны I и тока отраженной волны I (фиг. 4). Возникающая отраженная волна тока I в емкостной части пластины накладывается на ток антенны в токовой части пластины, т.е. в цепи тока I антенны, понижая коэффициент бегущей волны антенны. Поэтому недостатком прототипа является: наличие несогласованных режимов, приводящих к образованию стоячих волн тока антенны и как следствие, снижения коэффициента бегущей волны тока.
Целью разработки полезной модели является установление постоянства тока в антенне в режиме бегущей волны независимо от рабочей частоты, т.е. повышение коэффициента бегущей волны тока антенного модуля.
ОТР
Поставленная цель достигается устранением отраженной волны тока I. Повысить коэффициент бегущей волны (КБВ), значит увеличить излученную мощность модуля, при заданных равных условиях по подведенной к модулю мощности. Для повышения КБВ в антенном модуле реализовано следующее направление:
ПАД
A
повышено сопротивление цепи для тока I падающей волны с целью устранения этого тока и увеличения I тока антенны.
A
Для повышения сопротивления цепи для тока падающей волны емкостная часть каждой плоской разрезной металлической пластины выполнена в виде многопроводной экспоненциальной линии (фиг. 5). Сопротивление каждого проводника в экспоненциальной линии возрастает за счет взаимного влияния в них токов, одного направления протекаемых в линии. При этом экспоненциальная зависимость распределенного сопротивления многопроводной линии обеспечивает плавное изменение сопротивления в сторону его повышения. Кроме того, подключение многопроводной экспоненциальной линии к следующей плоской разрезной металлической пластине выполняется двухпроводной перемычкой, что позволяет увеличить сопротивление емкостной части пластины, т.к. перемычка в виде двухпроводной линии в этом случае является по физическому процессу запирающей катушкой для протекающего по линии тока по двум проводникам одного направления. Действительно в двухпроводной линии токи одного направления не протекают. Задачей, в этом случае, подключения двухпроводной перемычки является создание заданного потенциала на емкостной части пластины для организации заданной погонной емкости вдоль излучающего модуля. Таким образом, представленным на фиг. 5 конструктивным исполнением токовой и емкостной частей каждой пластины решена задача по созданию условий протекания тока модуля I только по токовой части для каждой пластины, в тоже время емкостная часть пластины остается под потенциалом и, следовательно, обладает заданной емкостью для своего уровня размещения пластины в антенном модуле.
A
A
A
На фиг. 5 представлено конструктивное исполнение и принцип работы пластин в антенном модуле, где ток генератора I поступает через первую клемму  на первую пластину антенного модуля. От первой клеммы  ко второй клемме  ток I протекает по токовой части первой пластины. Далее ток I протекает от клеммы  к клемме  по цепи, образованной перемычкой между второй клеммой  первой пластины и первой клеммой  второй пластины и далее токовой частью второй пластины от клеммы  до клеммы . Кроме того, создана цепь емкостная от клеммы  до клеммы , состоящая из емкостной части первой пластины, которой является многопроводная экспоненциальная линия, между второй клеммой  первой пластины и третьей клеммой  первой пластины и, далее от третьей клеммы  первой пластины ко второй клемме  через перемычку в виде двухпроводной линии. Из-за взаимного сопротивления токов в многопроводной экспоненциальной линии и последующей двухпроводной перемычке, сопротивление цепи по емкостной части первой пластины высокое и ток в этой цепи не течет.
A
A
Следовательно, ток антенного модуля течет от клеммы  только по токовой части первой пластины, далее по перемычке между клеммами  и , затем по токовой части второй пластины к клемме , при этом ток равен току генератора I. На основании сказанного следует, что ток генератора I протекает через первую клемму  первой пластины, через токовую часть первой пластины ко второй клемме  первой пластины, через перемычку между клеммами  и , через токовую часть второй пластины ко второй клемме  и через перемычку между клеммами  и  на токовую часть третьей пластины и через токовую часть третьей пластины ко второй клемме  третьей пластины и далее через вторую клемму  третьей пластины через перемычку к четвертой пластине и так далее по антенному модулю на фиг. 6.
При этом по цепи от второй клеммы  первой пластины по емкостной части между клеммами  и , выполненной в виде многопроводной экспоненциальной линии и по перемычке между  и , выполненной в виде двухпроводной линии ток не течет, а приложенное напряжение к цепи образует емкость цепи.
Кроме того, подобная емкостная цепь образуется для второй пластины по цепи от второй клеммы  второй пластины по емкостной части между клеммами  и , выполненной в виде многопроводной экспоненциальной линии и по перемычке между  и , выполненной в виде двухпроводной линии, где ток не течет, а приложенное напряжение к цепи образует емкость цепи.
Также подобная цепь образуется для третьей пластины по цепи, от второй клеммы  третьей пластины по емкостной части между клеммами  и , выполненной в виде многопроводной экспоненциальной линии и по перемычке между  и , выполненной в виде двухпроводной линии, где ток не течет, а приложенное напряжение к цепи образует емкость цепи.
A
Таким образом, на примере конструктивного исполнения и электродинамики работы трех разрезных пластин обоснована работа антенного модуля, представленного на фиг. 6, содержащего N разрезных плоских пластин, по токовой части которых протекает ток модуля, причем токовые части пластин соединены между собой перемычкой однопроводной в средней их части пластины с началом каждой пластины, эта цепь для тока модуля I. А емкостная часть каждой пластины, расположенной между второй и третьей клеммами в каждой пластины, соединена со средней частью последующей пластины перемычкой в виде двухпроводной линии.
A
Показанная особенность протекания тока в виде I в разрезных пластинах позволила разработать антенный модуль корабельной передающей антенной системы, устраняющий недостатки прототипа.
A
A
A,
A
A
Антенный модуль представлен на фиг. 6, где один из N выходов согласующего устройства 7 через коаксиальный кабель 8 центральной жилой соединен с первой клеммой  первой разрезной металлической пластиной П1, изолированной от корпуса корабля 2 изолятором 10 и от второй пластины П2, а экранная оболочка коаксиального кабеля 8 соединена с корпусом корабля 2. Ток I генератора от входной первой клеммы  первой пластины П1 протекает по токовой части пластины ко второй клемме  первой пластины и далее от второй клеммы  первой пластины к первой клемме  второй пластины П2 по цепи образованной однопроводной перемычкой между клеммами  и , далее через первую клемму  второй пластины П2, через токовую часть второй пластины П2 ко второй клемме  второй пластины П2; далее от второй клеммы  второй пластины П2 ток I протекает к первой клемме  третьей пластины П3 по цепи, образованной однопроводной перемычкой между клеммами  и  и далее по токовой части третьей пластины П3 между клеммами  и ; от второй клеммы  третьей пластины П3 ток протекает к первой клемме  четвертой пластины П4 по цепи для тока I образованной перемычкой между клеммами  и  и далее по токовой части четвертой пластины П4 между клеммами  и ; далее от второй клеммы  четвертой пластины П4 ток протекает к первой клемме  пятой пластины П5 по цепи для тока I образованной перемычкой между клеммами  и  и далее по токовой части пятой пластины П5 между клеммами  и ; и так далее по остальным пластинам в модуле, т.е. ток модуля I протекает по токовой части каждой пластины и по однопроводной перемычке соединяющей токовые части пластин модуля, причем, вплоть до второй клеммы  N-2 пластины ПN-2, далее от второй клеммы  N-2 пластины ПN-2 ток протекает к первой клемме  N-1 пластины ПN-1 по однопроводной перемычке, затем между клеммами  и  по токовой части N-1 пластины ПN-1, далее между клеммами  и  по однопроводной перемычке и далее по N пластине, в виде целого диска ПN, до клеммы «В», которая соединена с клеммой «Г» на корпусе корабля, через экспоненциальную нагрузку, размещенную в магнитодиэлектрической среде с параметрами ε=10 и μ=10.
Емкостная часть определена в антенном модуле для каждой металлической разрезной пластины, так для первой пластины емкостная часть образована многопроводной экспоненциальной линией соединением между клеммами  и , и последующей двухпроводной перемычкой между клеммами  и ; для второй пластины емкостная часть образована многопроводной экспоненциальной линией соединением между клеммами  и , и последующей двухпроводной перемычкой между клеммами  и ; для третьей пластины емкостная часть образована многопроводной экспоненциальной линией соединением между клеммами  и , и последующей двухпроводной перемычкой между клеммами  и ; для четвертой пластины емкостная часть образована многопроводной экспоненциальной линией соединением между клеммами  и , и последующей двухпроводной перемычкой между клеммами  и ; и так далее образованы емкостные части для всех из N пластин вплоть до N-2 пластины, которая соединена своей третьей клеммой  двухпроводной перемычкой со второй клеммой  N-1 пластины, далее для N-1 пластины емкостная часть образована многопроводной экспоненциальной линией соединением между клеммами  и , и последующей двухпроводной перемычкой между третьей клеммой  N-1 пластины и второй клеммой  N пластины-диска.
A
Таким образом, антенный модуль на фиг. 6 имеет токовую часть и емкостную часть на каждой пластине. Причем ток модуля I течет только по токовой части модуля, по емкостной части ток не течет, а наличие потенциала на емкостной части создает необходимую погонную емкость для каждой пластины, в этом преимущество предложенной модели по сравнению с прототипом.
Совокупность существенных признаков заявляемого устройства обеспечит достижение поставленной цели. Авторам неизвестны технические решения из области радиосвязи, антенной техники, содержащие признаки, эквивалентные отличительным признакам заявляемого устройства. Авторам неизвестны технические решения из других областей техники, обладающие свойствами заявляемого технического решения. Таким образом, заявляемое техническое решение, по мнению авторов, обладает критерием существенных признаков.