Металлопластиковая параболическая антенна

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована при изготовлении параболических антенн из полимерных композитных материалов.
Параболическая антенна представляет собой радиотехническое устройство, используемое в качестве приемника или излучателя электромагнитных волн. В каждой радиотехнической системе, излучающей или передающей радиоволны, антенна играет главную роль и является важным элементом. Это, в первую очередь, такие системы как телевизионные, радиосвязи, радиоуправления, радиовещания, радиолокации, радиорелейной связи, радионавигации, радиоастрономии.
Антенна состоит из металлического зеркала в виде параболоида вращения и облучателя, помещенного в фокусе.
Оптические параболические зеркала служат для преобразования сферического фронта волны источника в плоский фронт.
Действие параболического зеркала заключается в том, что расходящиеся лучи, идущие от источника, находящегося в фокусе зеркала, после отражения становятся параллельными.
В качестве отражающих поверхностей применяются металлические зеркала, дающие практически полное отражение падающих на них лучей без заметных потерь.
Известно, что чем больше диаметр поверхности параболоида по отношению к рабочей длине волны, тем уже становится диаграмма направленности. Таким образом, параболическое зеркало трансформирует волновую энергию, излученную облучателем по широкой диаграмме, в волновую энергию, излучаемую по узкой диаграмме.
В промышленных условиях параболоид вытягивается из дюралюминиевого или стального листа с помощью мощных гидравлических прессов. К другой разновидности относятся параболоиды, изготовленные из пластических масс методом литья с последующей металлизацией поверхности напылением.
Зеркало антенны изготавливается из электропроводящего материала (сталь, алюминиевые сплавы) с антикоррозионным покрытием. По технологическим и экономическим соображениям зеркала могут изготавливаться из неметаллических материалов - композитов (углепластик, стеклопластик) или пластмасс. Если зеркало антенны изготавливается из непроводящего материала, в его структуру дополнительно вводится отражающая поверхность из металлической фольги, сетки, электропроводящей краски.
Известен способ изготовления многослойного антенного рефлектора, включающий изготовление отражающей обшивки с применением пропитки материалов связующим, формирование пакета и его вакуумирование, и изготовление тыльной обшивки, соединяемой с отражающей обшивкой через слой сотового заполнителя (патент RU 2168820, МПК: H01Q 15/16, опубл. 10.06.2001).
Недостаток в том, что многослойная волокнистая структура препрегов удерживает излишки связующего и пузырьки воздуха между волокнами. Высокое содержание пузырьков воздуха в готовом изделии негативно влияет на его радиоотражающие характеристики.
Известна конструкция многослойного антенного рефлектора из полимерных композиционных материалов (патент РФ 2168820 H01Q 15/16, 2001), в которой антенный рефлектор состоит из тыльной и отражающей обшивок, выполненных из полимерного композиционного материала, соединенных между собой через сотозаполнитель.
Недостатком данного технического решения является недостаточный уровень размеростабильности, вызванный различием используемых материалов.
Также известна конструкция рефлектора из полимерного композиционного материала (патент РФ 2556424 H01Q 15/16, 2013). Каркас конструкции антенного рефлектора из полимерного композиционного материала состоит из тонкой оболочки и приклеенных с помощью клея на ее тыльную оболочку ребер жесткости, имеющих сетчатую структуру. Ребра жесткости склеиваются из трех комплектов параллельных ребер, расположенных относительно друг друга под углами примерно 60°, образуя, таким образом, треугольные и шестиугольные ячейки. Треугольные ячейки заливаются клеевым компаундом с последующим отверждением.
Недостатком вышеописанного технического решения является относительная сложность конструкции и большой удельный вес, за счет наличия ребер по всей поверхности тонкой оболочки, наличия клеевого состава между ребрами жесткости и тонкой оболочкой, в треугольных ячейках, ухудшающего размеростабильность через увеличение различий в теплопроводности конструкции.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является антенный рефлектор из полимерного композиционного материала (RU, 161906, H01Q15/16, публ.10.05.2016). Антенный рефлектор состоит из тонкой оболочки сложной геометрической формы и подкрепляющих ее с тыльной стороны ребер жесткости, выполненных из одного материала - углепластика.
Недостатком вышеописанного технического решения является низкий коэффициент отражения радиоволн в связи с тем, что в качестве радиоотражающего слоя применяется волокнистый углепластик. Это приводит к увеличению доли диффузного отражения по сравнению с зеркальным. К тому же углепластик обладает гораздо более низким коэффициентом электропроводности (порядка 100 000 см/м) по сравнению с, например, алюминием (35 000 000 см/м), что также снижает способность углепластика к радиоотражению.
Техническим результатом является увеличение коэффициента усиления параболической радиоантенны при уменьшении удельного веса изделия.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание конструкции параболической антенны из металлопластика, обеспечивающей низкий удельный вес, высокий коэффициент усиления и размеростабильность.
3
3
3
Поставленная задача решается тем, что параболическая антенна для приема и передачи радиоволн состоит из тонкого - 0,1 мм - сплошного металлического (например, алюминиевого или медного) отражающего слоя и толстого - 10 мм и более - основания, выполненного из полимерного многослойного композита. Каждый слой полимерного композита может быть выполнен из стеклопластика или углепластика размером 1-2 мм. Между слоями размещен легкий наполнитель слоем 10-50 мм. В качестве наполнителя используется вспененный жесткий закрытоячеистый наполнитель с прорезями шириной 1 мм в виде шестигранных сот, выполненными на всю толщину материала, за исключением соединительных перемычек. Материал может быть: пенополиуретан (ППУ) плотностью 80-100 кг/м, поливинилхлоридный пенопласт (ПВХ) плотностью 60-80 кг/м или поли(мет)акрилимидный пенопласт («АКРИМИД») плотностью 60-80 кг/м. Толщина слоя 10-50 мм.
Прорези в наполнителе заполняет эпоксидное связующее, которое после отверждения образует жесткую силовую сотовую структуру, связанную со слоями мультиаксиальной стекло- или углеткани.
2
Известно, что коэффициент усиления параболической антенны напрямую зависит от эффективности или коэффициента использования поверхности (КИП) антенны: G=10 lg (K(πD/λ)), (дБ), где:
G - коэффициент усиления;
K - эффективность или коэффициент использования поверхности антенны;
D- диаметр антенны;
λ - длина радиоволны;
π - число «Пи».
В свою очередь, эффективность (КИП) К антенны зависит от точности отражающей поверхности и электропроводности отражающего материала.
2
Металлопластиковая параболическая антенна может быть изготовлена с высокой точностью (среднеквадратичное отклонение отражающей поверхности от теоретической поверхности составляет 0,05 мм/ми лучше), сопоставимой с точностью изготовления параболической антенны из углепластика.
Радиоволны отражаются от токопроводящих сред. Электропроводность, например, алюминия - 35 000 000 см/м, а электропроводность углепластика - максимум 100 000 см/м.
Таким образом, заявляемая параболическая антенна обладает следующими преимуществами:
1. Низкий вес.
2. Высокая жесткость конструкции на изгиб и кручение позволяет выдерживать большие ветровые нагрузки.
3. Размеростабильность.
4. Применение в качестве радиоотражающего материала тонкого сплошного гладкого металлического (алюминий, медь) слоя с высокой электропроводностью, что позволяет получать больший коэффициент усиления радиоволн.
5. Технологичность изготовления. Все слои заполняются эпоксидным связующим под вакуумом, одновременно, в закрытой форме, что создает после отверждения связующего однородную структуру без дополнительных склеек.
6. Отсутствие внутренних пустот, которые могут повлиять на тепловую деформацию.
7. Формование радиоотражающего слоя по высокоточной оснастке со среднеквадратичным отклонением от теоретической поверхности 50 мкм, что позволяет получать больший коэффициент усиления радиоволн (согласно формуле) в сравнении с известными конструкциями параболических антенн.
Полезная модель поясняется иллюстрациями.
На фиг.1 - схема конструкции металлопластиковой параболической антенны;
на фиг.2 - послойная внутренняя структура металлопластиковой параболической антенны, где:
1. Металлический радиоотражающий слой - алюминиевая или медная фольга толщиной 0.05-0.1 мм;
2. Многослойное основание из полимерного композита (3-5);
3. Слой мультиаксиальной стекло- или углеткани, пропитанной эпоксидным связующим, толщиной - 1-2 мм;
4. Наполнитель с прорезями шириной 1 мм в виде шестигранных сот, выполненными на всю толщину материала за исключением соединительных перемычек. Толщина слоя 10-50 мм.
Прорези в наполнителе заполнены эпоксидным связующим с образованием после отверждения жесткой силовой сотовой структуры, которая связана со слоями стеклопластика или углепластика 3;
5. Мультиаксиальная стеклоткань или углеткань, пропитанная эпоксидным связующим. Толщина слоя 1-2 мм.
Металлопластиковая параболическая антенна для приема и передачи радиоволн состоит из тонкого (0,05 - 0,1 мм) сплошного металлического (например, алюминиевого, медного) отражающего слоя (1) и толстого (10 – 50 мм) основания (2), выполненного из полимерного многослойного композита.
3
3
3
Так как основание (2) многослойное, то в нем чередуются слои полимерного композита (3) из мультиаксиальной стеклоткани или углеткани, толщиной 1-2 мм, пропитанной эпоксидным связующим, и легкого наполнителя (4) (10-50 мм). В качестве наполнителя используется вспененный жесткий закрытоячеистый наполнитель с прорезями шириной 1 мм в виде шестигранных сот, выполненными на всю толщину материала за исключением соединительных перемычек. Материал может быть: пенополиуретан (ППУ) плотностью 80-100 кг/м, поливинилхлоридный пенопласт (ПВХ) плотностью 60-80 кг/м или поли(мет)акрилимидный пенопласт («АКРИМИД») плотностью 60-80 кг/м. Толщина слоя 10-50 мм.
Прорези в наполнителе заполняет эпоксидное связующее, которое после отверждения образует жесткую силовую сотовую структуру, связанную со слоями мультиаксиальной стекло- или углеткани.
Далее опять повторяется слой из стекло- или углеткани, пропитанной эпоксидным связующим (5).
Таким образом, реализация полезной модели решает поставленные авторами задачи, а именно, достигнуты такие преимущества, как высокий коэффициент усиления при меньшей массе изделия в сравнении с алюминиевой параболической антенной, а также более высокий коэффициент усиления при сопоставимой массе в сравнении с углепластиковой параболической антенной.