ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННА ДЛЯ УСТАНОВКИ НА ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ
TRANSCEIVING ANTENNA FOR INSTALLATION ON AIRCRAFTS

Изобретение относится к электрически коротким сверхширокополосным антенным устройствам УКВ диапазона для установки на летательные аппараты и ведения радиосвязи по линиям «борт-борт», «борт-земля».
В настоящее время известны многочисленные конструкции антенн УКВ диапазона, применяемые на летательных аппаратах [1, 2]. В основном это выступающие антенны вибраторного типа. Начиная с частоты ниже 100 МГц разработка и использование сверхширокополосных антенн наталкивается на серьезные трудности, вследствие больших геометрических размеров по высоте, что значительно ухудшает летные характеристики и дополнительно увеличивает расход горючего из-за большого лобового сопротивления воздушному потоку.
Осуществить согласование в широкой полосе вибраторных антенн при малой геометрической высоте можно двумя способами.
Первый способ заключается в использовании узкополосного согласования с перестройкой по частоте. Это позволяет более чем в три раза увеличивать необходимую дальность радиосвязи для антенн с малой высотой, но, вследствие сложности конструкции, увеличивает время и стоимость разработки, стоимость самого изделия, снижает надежность и требует дополнительного электропитания.
Второй способ заключается в использовании широкополосного согласования за счет уменьшения КПД антенны, что приводит к существенному уменьшению дальности, но позволяет сохранить высокую надежность изделий и приемлемую стоимость.
В настоящее время на практике применяются электрически короткие сверхширокополосные антенны с отношением высоты антенны к максимальной длине волны менее 0,05. Они представляют собой плоские несимметричные вибраторы с пониженной эффективностью излучения (и КПД) на нижних частотах диапазона. Это связано с тем, что на нижних частотах рабочей полосы электрическая высота антенн, т.е. отношение высоты антенны к рабочей длине волны, меньше 0,05. Из-за этого активная часть входного импеданса меньше одного Ома, а реактивная часть порядка 200 Ом. С увеличением частоты (в нижней части диапазона) у таких антенн активная часть импеданса увеличивается до величины порядка 5 Ом, а реактивная часть уменьшается до значения порядка 50 Ом. Вследствие этого осуществить широкополосное согласование в таких антеннах без потерь мощности не представляется возможным. В подобных схемных решениях, как правило, конструкция антенны выбирается из того, что начиная с некоторой частоты и до максимальной частоты рабочего диапазона антенна уже является согласованной с питающим фидером, а в нижней полосе частот согласование осуществляется с помощью радиоэлементов, в состав которых входят поглотители мощности (резисторы), что существенно уменьшает предельную дальность радиосвязи не менее 5 раз. Т.е. осуществляется согласование за счет уменьшения эффективности излучения (и КПД) антенны.
В настоящее время существуют сверхширокополосные электрически короткие вибраторные антенны для летательных аппаратов с пониженной эффективностью излучения (и КПД). В качестве прототипа выбрана отечественная авиационная радиосвязная антенна «Бн-286» [3], в которой согласование с питающим фидером в нижней полосе частот осуществляется через схему, в состав которой входят поглотители мощности (резисторы). Антенна работает в полосе 30-400 МГц с эффективностью излучения на нижних частотах (30-100 МГц) от минус 24 до минус 10 дБ. В качестве зарубежных аналогов с такими же параметрами на летающих аппаратах устанавливаются антенны S65-8282-78 фирмы Sensor System Inc. (США), JD322 фирмы Verdant Telemetry (Индия).
На практике существует необходимость в увеличении предельной дальности в два-три раза, при сохранении существующей высоты и полосы согласования антенн УКВ диапазона. Увеличить эффективность излучения (и КПД) подобных антенн можно за счет усложнения конструкции и оптимизации электрической схемы антенны при сохранении существующей высоты и полосы согласования.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение эффективности излучения на величину не менее 6 дБ в полосе нижних частот рабочего диапазона с сохранением эффективности на средних и верхних частотах по сравнению с существующим прототипом.
Указанный технический результат достигается тем, что в приемопередающей антенне для установки на летательные аппараты, состоящей из металлодиэлектрического обтекателя с фланцем и установленным на нем ВЧ соединителем, который в свою очередь соединен с двухсторонней стеклотекстолитовой платой, размещенной внутри обтекателя, в верхней части обтекателя установлены верхняя нагрузка в форме круглого металлического листа, электрически связанная с обтекателем антенны, и две металлические планки, соединяющие металлическую часть обтекателя и верхнюю нагрузку, образуя электрические контакты в местах соединения.
Благодаря применению в конструкции антенны верхней нагрузки в форме круглого металлического диска и оптимизации параметров электрической схемы согласования антенны достигается указанный технический результат. Металлический диск в этой антенне является эквивалентом увеличения электрической высоты, поэтому во входном импедансе, на нижней частоте, активная часть увеличивается с 0,7 до 3,1 Ом, а реактивная часть (по модулю) уменьшается с 201 до 157 Ом. Благодаря чему сопротивление излучения увеличивается,
КПД=Rизл/(Rизл+Rп),
где:
Rизл - сопротивление излучения;
Rп - сопротивление омических потерь.
Сопротивление потерь состоит из омических потерь и потерь в элементах согласования на резистивных нагрузках. Сопротивление потерь для антенны с металлическим диском и без него примерно одинаковы. Из выражения следует, что эффективность и КПД антенны с нагрузкой выше по сравнению с антенной, не имеющей этой верхней нагрузки.
На фиг.1 и фиг.2 представлено исполнение сверхширокополосной электрически короткой антенны с верхней нагрузкой для установки на летательные аппараты.
Конструктивно антенна состоит из металлодиэлектрического обтекателя 1, верхняя часть которого изготовлена, например, из алюминиевого листа, а нижняя часть (выклейка) из стекловолокна путем вакуумной технологии на специальной оснастке; верхней нагрузки 2 в форме металлического диска из алюминиевого сплава, соединенного с верхней частью обтекателя при помощи сварки; двух металлических планок 3, соединяющих металлическую часть обтекателя и верхнюю нагрузку, образуя электрические контакты в местах соединения; фланца 4, с установленным на нем ВЧ соединителем 5; и платы согласования 6 из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита, размещенной в обтекателе. Нижняя часть платы устанавливается на фланец и закрепляется при помощи двух угольников, верхняя часть платы закрепляется в обтекателе двумя диэлектрическими прокладками 7, образуя необходимую жесткость. Плата соединена с центральным проводником ВЧ соединителя медной проволокой 8.
Работа антенны в режиме ПРД происходит следующим образом. Ток ВЧ от передатчика через ВЧ соединитель попадает на плату согласования, проходя через конструктивную емкость между платой согласования и обтекателем, поступает на металлическую поверхность обтекателя, образуя необходимое распределение плотности тока на внешней его поверхности и верхней нагрузки и далее излучается в пространство. Геометрические размеры и форма обтекателя антенны и верхней нагрузки ответственны за формирование круговой диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. При работе антенны в режиме ПРМ сигнал идет в обратную сторону.
Электрическая схема, размещенная на плате согласования, обеспечивает КСВ по входу антенны не более 2,5.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ильинский Л.Я, Балбот А.А. Антенны самолетов и вертолетов. Сов. радио, 1978 г.
2. Г.Б. Резников. Самолетные антенны. Сов. радио, 1962 г.
3. Авиационная радиосвязная антенна «Бн-286». Рекламны листок ФГУП «НПП «Полет»». Прототип.