КОРАБЕЛЬНАЯ ПРИЕМНАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА

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) как приемный, так и передающий, широко используется исходя из их высоких характеристик по массогабаритным и направленным свойствам. Штырь занимает малую площадь при размещении, поэтому повсеместно используется на судах и кораблях, причем в большем количестве на борту судов (несколько десятков).
На фиг. 1 представлен классический приемный несимметричный вибратор или штырь, вариант (а), который имеет приемную часть - 1, в виде проводящего прямолинейного проводника, соединенного через коаксиальный кабель 2 с входом радиоприемного устройства 3 и размещенного на изоляторе 4, последний закреплен на корпусе судна (корабля). Данный вариант (а) для рабочих частот KB диапазона в пределах от 5 до 30 МГц.
Вариант (б) позволяет расширить диапазон рабочих частот в нижнюю часть спектра, работает от 100 кГц до 5 МГц и отличается от предыдущего варианта тем, что дополнительно между приемной частью 1 и коаксиальным кабелем 2 включена индуктивность 5, которая обеспечивает удлинение антенны.
а
0
нас
0
0
0
0
0
0
8
Таким образом, на фиг. 1 приведена физическая модель несимметричного вибратора, расположенного вдоль оси X. При этом  длина вибратора с диаметром сечения . Длина вибратора играет важную роль в излучающих качествах штыря. Резонансная частота ƒ или частота настройки ƒ=ƒ антенны связана с резонансной длиной волны λ и длиной вибратора следующими соотношениями: ; ƒ=С/λ, где С - скорость света (3⋅10, м/с). Режим работы с параметрами ; ƒ=С/λ называется режимом собственной длины волны. Коэффициент перекрытия диапазона частот для передающего штыря равен 1,2. Поэтому передающий несимметричный вибратор работает в узкой полосе частот. Например, передающий штырь для работы в режиме собственной длины волны или в диапазоне, близком к данному режиму, при длине:  метра - настраивается на частоты от 17 до 24 МГц;  метров - на частоты от 13 до 17 МГц;  метров - на частоты от 9 до 12 МГц;  метров - на частоты от 7,5 до 10 МГц;  метров - на частоты от 5 до 8 МГц.
Так как КПД приемной антенны может быть много ниже КПД передающей антенны, коэффициент перекрытия по диапазону использования частот может достигать 5-7. Следовательно, судовой 6-ти метровый приемный штырь, выполненный по варианту (а), используется в диапазоне от 5 до 30 МГц. А выполненный по варианту (б) с индуктивной нагрузкой 5 - в диапазоне от 100 кГц до 5 МГц. В конструкциях, как правило, установлен переключатель для включения и выключения индуктивной нагрузки.
Судовая приемная антенна типа АПС-6 представляет собой вертикальный сошлифованный на конус стеклопластиковый 6-метровый штырь, внутри которого по центру проходит бронзовый многожильный провод. Штырь закреплен в изоляторе, выполненном из стеклопластика. Штырь соединен через согласующее устройство коаксиальным кабелем с радиоприемным устройством. Согласующее устройство представляет собой удлинительную катушку или индуктивную нагрузку. Описание представлено в монографии «Судовые антенны» М.В. Вершкова и О.Б. Миротворского на стр. 273-274, - Л.: изд. «Судостроение», 1990 г.
В условиях малоразмерных судов используют малогабаритные активные приемные антенны. Высота штыря 1 метр, учитывая низкую эффективность, применяют усилители, подключенные непосредственно к штырю. Примером может служить приемная активная антенна типа STA 10А 2440/0,01-30 (ФРГ). Описание представлено в монографии «Судовые антенны» М.В. Вершкова и О.Б. Миротворского на стр. 222-228, - Л.: изд. «Судостроение», 1990 г.
Подобная показанная выше судовая активная приемная антенна типа АА-330 представлена в монографии «Судовые антенны» М.В. Вершкова и О.Б. Миротворского на стр. 228-230, - Л.: изд. «Судостроение», 1990 г.
Таким образом, рассмотрены варианты типовых приемных антенн и показаны особенности их конструктивных решений, позволяющих изменять диапазонные свойства и их размеры. Эти примеры дают основание для дальнейшего изменения конструкции для совершенствования возможностей описанных приемных антенн.
Прототипом может служить судовая приемная антенна типа АПС-6, которая представляет собой вертикальный сошлифованный на конус стеклопластиковый 6-метровый штырь, внутри которого по центру проходит бронзовый многожильный провод. Штырь закреплен в изоляторе, выполненном из стеклопластика. Штырь соединен через согласующее устройство коаксиальным кабелем с радиоприемным устройством. Согласующее устройство представляет собой удлинительную катушку или индуктивную нагрузку. Описание представлено в монографии «Судовые антенны» М.В. Вершкова и О.Б. Миротворского на стр. 273-274, - Л.: изд. «Судостроение», 1990 г.
Анализ выражений соотношений между горизонтальной и вертикальной составляющими в воздушной и морской среде (Описание представлено в монографии «Теория тракта распространения радиоволн линий радиосвязи» А.И. Виниченко на стр. 123-128, - Л: 1984 г.) позволяет сделать следующие выводы в отношении структуры поля на границе раздела двух сред «воздух - вода»:
m1z
m1x
m2x
1. В воздухе амплитуда вертикальной составляющей поля E больше горизонтальной E в  раз. В воде, наоборот, горизонтальная составляющая E во столько же раз больше вертикальной . Для морской воды  эта разница от 49 раз до 155 раз в КВ диапазоне в зависимости от λ(100÷10 м.) Следовательно, в морской среде (под водой) целесообразно вести прием на антенну с горизонтальной поляризацией.
2. Горизонтальные составляющие  и  тем больше, чем короче длина волны λ, меньше относительная диэлектрическая проницаемость ε' и проводимость σ подстилающей поверхности.
3. На границе раздела существует фазовый сдвиг между  и , равный , и такой же сдвиг (с противоположным знаком) между  и .
4. За счет неравенства составляющих и сдвига по фазе на угол  возникает эллиптическая поляризация волны в направлении распространения. Вектор электрического поля за период высокочастотного колебания описывает своим концом эллипс, лежащий в плоскости распространения волны.
В реальной ионосфере происходят непрерывные изменения ее параметров, поэтому большая ось эллипса поляризации имеет случайное положение в произвольный момент времени. Это приводит в итоге к флуктуации (замиранию) результирующего поля - поляризационным замираниям в случае приема на линейную антенну. Для борьбы с поляризационными замираниями необходимо использовать антенны с круговой поляризацией или две взаимно перпендикулярные линейные антенны. Такие антенны в условиях ограниченного пространства надводного корабля не используются.
1
1
n
n
n
Одним из эффективных методов борьбы с искажениями сигналов радиосвязи, вызванными замираниями в диапазоне KB, является разнесенный прием. По мере увеличения разнесения приема в пространстве, по частоте, по времени, по углу прихода радиоволн, по поляризации степень корреляции между разнесенными каналами приема будет ослабевать, и при определенном разнесении флуктуации (замирания) поля в этих каналах станут независимыми. Тогда если вероятность искажений сигналов в одном из независимых каналов равна S, то при использовании n таких разнесенных каналов приема она будет равна . С учетом того, что S<1, при возрастании n величина S будет уменьшаться, а вероятность безыскаженного приема P=1-S увеличиваться. Разнесенный прием в настоящее время используется на береговых приемных центрах, на кораблях ВМФ этот метод сложно реализуем и в условиях ограниченности пространства не применяется. Так пространственный разнос затруднен из-за ограниченности количества приемных антенн и места их размещения, разнос по частоте или времени влечет за собой серьезные изменения в организационно-техническом обеспечении связи корреспондентов, разнос по углу прихода радиоволн возможен только с использованием узконаправленных антенн (например, многолепестковых ФАР). Поляризационная корреляция замираний может быть сведена к минимуму, если прием осуществлять на горизонтальную и вертикальную антенны.
Целью разработки полезной модели является интеграция приемной антенны в корпус судна (корабля) с возможностью исключения поляризационных замираний ионосферных волн, создание самофокусирующейся антенной решетки. Это возможно на основании одновременного использования вертикальных и горизонтальных несимметричных вибраторов, а также на основе построения антенной системы в виде фазированной антенной решетки (ФАР).
Поставленная цель достигается тем, что дополнительно введены в составе единой конструкции: N групп приемных антенн, каждая группа содержит три секции горизонтальных и вертикальных коаксиальных вибраторов, опорный генератор, N фазовых детекторов, N фазовращателей, N собирательных линий.
На фиг. 2 представлен принцип действия коаксиального кабеля при воздействии на него падающей электромагнитной волны, где:
- 6 - экранирующая оболочка коаксиального кабеля;
- 7 - центральная жила коаксиального кабеля;
ОБ
- I - наведенный ток в экранной оболочке, возбуждаемый энергией падающей электромагнитной волны;
ЦЕН.ЖИЛЫ
- I=0 - наведенного тока в центральной жиле нет за счет экранирования электромагнитного поля экранной оболочкой.
На фиг. 3 представлен принцип действия коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой при воздействии на нее энергии падающей электромагнитной волны, где:
- 6 - разрезанная на секции экранирующая оболочка (секционированная экранная оболочка) коаксиального кабеля;
- 7 - центральная жила коаксиального кабеля;
ОБ
- I - наведенный ток в секциях экранной оболочки, возбуждаемый энергией падающей электромагнитной волны;
ЦЕН.ЖИЛЫ
- I≠0 - наведенный ток в центральной жиле за счет тока по внутренней поверхности экранной оболочки, возбуждаемый энергией падающей электромагнитной волны;
- d - толщина экранной оболочки коаксиального кабеля;
- (d>Δ) - толщина экранной оболочки больше скин-слоя, т.е. глубины проникновения ЭМВ Δ в металл, известно, что , где μ - магнитная проницаемость металла, σ - проводимость металла, ƒ - наименьшая частота диапазона принимаемых частот, т.е. ƒ=100 кГц;
-  - длина секционированной разрезной экранной оболочки кабеля.
Коаксиальный кабель с секционированной разрезной экранной оболочкой использован в качестве приемного горизонтального или вертикального вибратора и интегрирован в корпус судна (корабля) в виде леерного ограждения в составе антенных групп корабельной приемной антенной системы.
На фиг. 4 представлена структура формирования антенных групп корабельной приемной антенной системы, где:
N
0
- 8 - N стеклопластиковых корпусов крепления горизонтальных и вертикальных коаксиальных вибраторов приемной антенной системы по три в каждой группе, например корпуса крепления 8 в начале линейной антенной системы, которой является приемная антенная система; первая группа содержит три стеклопластиковых корпуса крепления: первый корпус - ,
второй -  и третий - ; вторая группа содержит три корпуса крепления: первый - , второй -  и третий - ; и т.д.;
N
- 9 - N групп горизонтальных вибраторов из коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой по три вибратора в каждой группе, например первая группа содержит три горизонтальных вибратора: первый - , второй -  и третий - ; вторая группа содержит три горизонтальных вибратора: первый - , второй -  и третий - ; и т.д.;
N
- 10 - N групп вертикальных вибраторов из коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой по три вибратора в каждой группе, например первая группа содержит три вертикальных вибратора: первый - , второй -  и третий - ; вторая группа содержит три вертикальных вибратора: первый - , второй -  и третий - ; и т.д.;
N
- 11 - N стеклопластиковых корпусов крепления вертикальных вибраторов приемной антенной системы к корпусу корабля, судна 13, например первая группа приемных антенн содержит три корпуса крепления: первый - , второй -  и третий - ; вторая группа содержит три корпуса крепления: первый - , второй -  и третий - ; и т.д.;
-12 - многожильный кабель из N проводников;
-13 - корпус корабля, судна;
a
N
-  - N клемм групп соединения с N проводниками в многожильном кабеле 12, при этом каждая группа из трех секций соединена с собственной клеммой из трех клемм соединения с одним проводником кабеля 12; например первая группа содержит три секции горизонтально-вертикальных вибраторов, при этом каждая секция соединена с собственной из трех клемм для первого проводника кабеля 12: первая клемма - , вторая -  и третья - ; вторая группа содержит три секции горизонтально-вертикальных вибраторов, при этом каждая секция соединена с собственной из трех клемм для второго проводника кабеля 12: первая клемма - , вторая -  и третья -  и т.д.
На фиг. 5 представлена структура первой секции 14, подобная секция в каждой группе корабельной приемной антенной системы, где:
0
- 8 - стеклопластиковый корпус крепления горизонтального вибратора вибратор из коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой и является начальным элементом приемной антенной системы;
N
- 8 - стеклопластиковый корпус крепления в верхней части приемной антенной системы, например, для первой секции стеклопластиковый корпус крепления  трех вибраторов: двух горизонтальных  и  и одного вертикального  первой группы приемной антенной системы;
- - горизонтальный вибратор из коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой первой секции;
-  - горизонтальный вибратор из коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой второй секции;
-  - вертикальный вибратор из коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой первой секции;
НАГ.
- R - высокоомное сопротивление нагрузки первой секции горизонтально-вертикальной приемной антенны;
-  - стеклопластиковый корпус крепления вертикального вибратора приемной антенны к корпусу корабля, судна 13;
- 12 - многожильный кабель с первым проводником из этого многожильного кабеля;
-13 - корпус корабля, судна;
ОБ
- I - наведенный ток в секциях экранной оболочки, возбуждаемый энергией падающей электромагнитной волны и циркулирующий по внешней и внутренней поверхности секционированного, разрезного экрана коаксиального антенного вибратора;
ЦЕН.ЖИЛЫ
ОБ
- I - наведенный ток в центральной жиле за счет тока I по внутренней поверхности секционированной экранной оболочки, возбуждаемый энергией падающей электромагнитной волны.
За счет одновременного применения в группах приемных антенн горизонтальных и вертикальных вибраторов из коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой будут исключены поляризационные замирания ионосферных волн.
На фиг. 6 представлена корабельная приемная антенная система, представляющая собой конструктивное единство соединенных между собой коаксиальными линиями:
- N групп приемных антенн, интегрированных в корпус корабля в виде леерного ограждения, состоящих из идентичных секций горизонтально-вертикальных вибраторов в каждой группе приемных антенн 14 и исключающих поляризационные замирания ионосферных волн;
1,
2
N
1
2
N
- размещенные на внутренней стороне корпуса (борта) корабля и соединенные с N группами приемных антенн и между собой коаксиальными линиями: 15 - опорный генератор; 16 16, …, 16 - один из фазовых детекторов в каждой группе приемных антенн; 17, 17, …, 17 - один из фазовращателей в каждой группе приемных антенн; 18 - суммирующее устройство; 3 - радиоприемное устройство.
Функциональное единство корабельной приемной антенной системы заключается в реализации цели разработки полезной модели, а именно в интеграции приемной антенны в корпус судна (корабля) в виде леерного ограждения, возможность исключения поляризационных замираний ионосферных волн путем использования горизонтально-вертикальных вибраторов, создание самофокусирующейся антенной решетки за счет применения N групп приемных антенн, опорного генератора, N фазовых детекторов и N фазовращателей в каждой группе приемных антенн, суммирующего и радиоприемного устройства.
N
N
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
3
2
2
2
2
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
1
1
1
1
2
1
1
1
1
2
2
2
2
3
2
2
2
2
3
3
3
1
3
3
3
3
1
1
1
1
2
1
1
1
1
2
2
2
3
2
2
2
2
3
3
3
3
1
3
3
3
3
1
1
1
1
2
1
1
1
1
2
2
2
2
3
2
2
2
2
3
3
3
3
3
3
3
3
а
а
а
а
a
a
a
На фиг. 4 представлена структура формирования антенных групп корабельной приемной антенной системы, содержащая N групп приемных антенн, интегрированных в корпус корабля в виде леерного ограждения, каждая группа имеет три секции горизонтально-вертикальных вибраторов, исключающих поляризационные замирания ионосферных волн, N стеклопластиков корпусов 8 крепления трех вибраторов в каждой группе: двух горизонтальных и одного вертикального вибраторов приемной антенной системы; N стеклопластиковых корпусов 11 крепления вертикального вибратора приемной антенны к корпусу корабля, судна 13; многожильный кабель 12 с N проводниками в нем, при этом первый горизонтальный вибратор из коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой 9 первой секции первой группы приемных антенн соединен с первой клеммой «» первого проводника многожильного кабеля 12 через первый стеклопластиковый корпус 8 крепления трех вибраторов - двух горизонтальных 9 и 9, одного вертикального 10, через первый вертикальный вибратор из коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой первой группы 10, через первый стеклопластиковый корпус крепления 11 вертикального вибратора первой группы 10 в нижней его части на корпусе корабля, судна 13; второй горизонтальный вибратор второй секции первой группы 9 приемных антенн соединен со второй клеммой «» первого проводника многожильного кабеля 12 через второй стеклопластиковый корпус 8 крепления трех вибраторов (двух горизонтальных 9 и 9 и одного вертикального 10), через второй вертикальный вибратор первой группы 10 второй секции, через второй стеклопластиковый корпус крепления 11 второго вертикального вибратора первой группы 10 в нижней его части на корпусе корабля, судна 13; третий горизонтальный вибратор третьей секции первой группы 9 приемных антенн соединен с третьей клеммой «» первого проводника многожильного кабеля 12 через третий стеклопластиковый корпус 8 крепления трех вибраторов (двух горизонтальных 9 и 9 и одного вертикального 10), через третий вертикальный вибратор третьей секции первой группы 10, через третий стеклопластиковый корпус крепления 11 третьего вертикального вибратора третьей секции первой группы 10 в нижней его части на корпусе корабля, судна 13; первый горизонтальный вибратор первой секции второй группы 9 приемных антенн соединен с первой клеммой «» второго проводника многожильного кабеля 12 через первый стеклопластиковый корпус 8 крепления трех вибраторов (двух горизонтальных 9 и 9 и одного вертикального 10), через первый вертикальный вибратор первой секции второй группы 10, через первый стеклопластиковый корпус 11 крепления первого вертикального вибратора первой секции второй группы 10 в нижней его части на корпусе корабля, судна 13; второй горизонтальный вибратор второй секции второй группы 9 приемных антенн соединен со второй клеммой «» второго проводника многожильного кабеля 12 через первый стеклопластиковый корпус 8 крепления трех вибраторов (двух горизонтальных 9 и 9 и одного вертикального 10), через второй вертикальный вибратор второй секции второй группы 10, через второй стеклопластиковый корпус 11 крепления второго вертикального вибратора второй группы 10 в нижней его части на корпусе корабля, судна 13; третий горизонтальный вибратор третьей секции второй группы 9 приемных антенн соединен с третьей клеммой «» второго проводника многожильного кабеля 12 через первый стеклопластиковый корпус 8 крепления трех вибраторов (двух горизонтальных 9 и 9 и одного вертикального 10), через третий вертикальный вибратор второй группы 10, через третий стеклопластиковый корпус 11 крепления третьего вертикального вибратора второй группы 10 в нижней его части на корпусе корабля, судна 13; таким образом, соединения выполнены по секциям в каждой из N групп приемных антенн, образуя линейную систему из секций, начиная с первой секции первой группы и заканчивая третьей секцией N-ой группы, в каждой секции соединены последовательно горизонтальный и вертикальный вибраторы с одним из N проводников многожильного кабеля 12; секции N-ой группы приемных антенн имеют соединения: первый горизонтальный вибратор 9 первой секции N-ой группы приемных антенн соединен с первой клеммой «» N-ого проводника многожильного кабеля 12 через первый стеклопластиковый корпус 8 крепления трех вибраторов (двух горизонтальных 9 и 9 и одного вертикального 10), через первый вертикальный вибратор 10 первой секции N-ой группы, через первый стеклопластиковый корпус 11 крепления первого вертикального вибратора 10 первой секции N-ой группы в нижней его части на корпусе корабля, судна 13; второй горизонтальный вибратор 9 второй секции N-ой группы приемных антенн соединен со второй клеммой «» N-ого проводника многожильного кабеля 12 через второй стеклопластиковый корпус 8 крепления трех вибраторов (двух горизонтальных 9, и 9 и одного вертикального 10), через второй вертикальный вибратор 10 второй секции N-ой группы, через второй стеклопластиковый корпус 11 крепления второго вертикального вибратора 10 второй секции N-ой группы в нижней его части на корпусе корабля, судна 13; третий горизонтальный вибратор 9 третьей секции N-ой группы приемных антенн соединен с третьей клеммой «» N-ого проводника многожильного кабеля 12 через третий стеклопластиковый корпус 8 крепления двух вибраторов (одного горизонтального 9 и одного вертикального 10), через третий вертикальный вибратор 10 третьей секции N-ой группы, через третий стеклопластиковый корпус 11 крепления третьего вертикального вибратора 10 третьей секции N-ой группы в нижней его части на корпусе корабля, судна 13.
1
1
1
НАГ
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
НАГ
1
1
1
ОБ
ЦЕН.ЖИЛЫ
1
1
1
2
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
а
а
На фиг. 5 представлена структура первой секции 14 первой группы корабельной приемной антенной системы, содержащая: первый горизонтальный вибратор из коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой 9 первой секции первой группы приемных антенн, первый вертикальный вибратор из коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой 10 первой секции первой группы, второй горизонтальный вибратор из коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой 9 второй секции первой группы, первый проводник многожильного кабеля 12, высокоомное нагрузочное сопротивление R, стеклопластиковый корпус 8 крепления трех вибраторов: 9, 9 и 10, стеклопластиковый корпус 8 крепления 9, стеклопластиковый корпус 11 крепления первого вертикального вибратора из коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой 10 первой секции первой группы на корпусе корабля, судна 13; при этом первый горизонтальный вибратор из коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой 9 первой секции первой группы приемных антенн разрезной секционированной экранной оболочкой находится на изоляции и закреплен механически в двух стеклопластиковых корпусах 8 и 8 центральная жила первого горизонтального вибратора 9 в стеклопластиковом корпусе 8 на изоляции, а в стеклопластиковом корпусе 8 центральная жила первого горизонтального вибратора 9 соединена клеммой «б» с центральной жилой первого вертикального коаксиального кабеля 10 первой группы в верхней его части, а разрезная секционированная экранная оболочка первого вертикального вибратора закреплена механически в верхней части в стеклопластиковом корпусе 8, а в нижней части вибратора 10 - в стеклопластиковом корпусе 11, закрепленном на корпусе корабля, судна 13, центральная жила первого вертикального коаксиального вибратора 10 в нижней ее части соединена с клеммой «в», а клемма «в» соединена параллельно с клеммой «» первого проводника многожильного кабеля 12 и через высокоомное нагрузочное сопротивление R с клеммой «г» корпуса корабля 13; экранная оболочка коаксиальных кабелей: 9, 9, 10 имеет разрезное секционирование, что позволяет затекание наведенного тока падающей электромагнитной волной на внутреннюю поверхность экранной оболочки I, этот ток возбуждает наведенный ток в центральной жиле коаксиального кабеля I, наведенные токи в центральных жилах горизонтальной и вертикальной частях кабелей через клемму «» фиксируются в первом проводе многожильного кабеля 12 и далее системой обработки. Путем приема горизонтальной и вертикальной составляющих электромагнитного поля в группах приемных антенн горизонтальными и вертикальными вибраторами из коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранной оболочкой будут исключены поляризационные замирания ионосферных волн.
1
2
N
1,
2
N
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
а
а
а
а
а
a
а
а
а
а
а
а
a
a
a
a
a
a
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
На фиг. 6 представлена корабельная приемная антенная система, содержащая: N групп приемных антенн, интегрированных в корпус корабля в виде леерного ограждения, содержащих по три секции горизонтально-вертикальных вибраторов в каждой из N групп, исключающих поляризационные замирания ионосферных волн, опорный генератор 15, фазовый детектор 16, 16, …, 16, собственный в каждой группе приемных антенн, фазовращатель 17 17, …, 17, собственный в каждой группе приемных антенн, суммирующее устройство 18 и радиоприемное устройство 3, соединенные коаксиальными линиями и представляющие собой единую конструкцию, работающую в качестве самофокусирующейся антенной решетки, при этом в первой группе приемных антенн три секции 14 горизонтально-вертикальных вибраторов параллельно соединены через собственные клеммы «», «», «» в каждой секции с первым проводником многожильного кабеля 12, так первая секция 14 горизонтально-вертикальных вибраторов через первую клемму «», вторая секция 14 горизонтально-вертикальных вибраторов через вторую клемму «» и третья секция 14 горизонтально-вертикальных вибраторов через третью клемму «» параллельно соединены с первым проводником входа многожильного кабеля 12, первый проводник с выхода многожильного кабеля 12 соединен параллельно с первым входом фазового детектора 16 первой группы приемных антенн и со вторым входом фазовращателя 17 первой группы приемных антенн, второй вход фазового детектора 16 первой группы приемных антенн соединен с выходом опорного генератора 15, выход фазового детектора 16 первой группы приемных антенн соединен с первым входом фазовращателя 17 первой группы приемных антенн, выход фазовращателя 17 соединен с первым входом суммирующего устройства 18, выход которого соединен с входом приемного устройства 3; во второй группе приемных антенн три секции 14 горизонтально-вертикальных вибраторов параллельно соединены через собственные клеммы «», «», «» в каждой секции со вторым проводником многожильного кабеля 12, так первая секция 14 горизонтально-вертикальных вибраторов через первую клемму «», вторая секция 14 горизонтально-вертикальных вибраторов через вторую клемму «» и третья секция 14 горизонтально-вертикальных вибраторов через третью клемму «» параллельно соединены со вторым проводником входа многожильного кабеля 12, второй проводник с выхода многожильного кабеля 12 соединен параллельно с первым входом фазового детектора 16 второй группы приемных антенн и со вторым входом фазовращателя 17 второй группы приемных антенн, второй вход фазового детектора 16 второй группы приемных антенн соединен с выходом опорного генератора 15, выход фазового детектора 16 второй группы приемных антенн соединен с первым входом фазовращателя 17 второй группы приемных антенн, выход фазовращателя 17 соединен со вторым входом суммирующего устройства 18; последующие группы приемных антенн строятся одинаково, как и первые две описанные выше; в N-ой группе приемных антенн три секции 14 горизонтально-вертикальных вибраторов параллельно соединены через собственные клеммы «», «», «» в каждой секции с N-ым проводником многожильного кабеля 12, так первая секция 14 горизонтально-вертикальных вибраторов через первую клемму «», вторая секция 14 горизонтально-вертикальных вибраторов через вторую клемму «» и третья секция 14 горизонтально-вертикальных вибраторов через третью клемму «» параллельно соединены с N-ым проводником входа многожильного кабеля 12, N-ый проводник с выхода многожильного кабеля 12 соединен параллельно с первым входом фазового детектора 16 N-ой группы приемных антенн и со вторым входом фазовращателя 17 N-ой группы приемных антенн, второй вход фазового детектора 16 N-ой группы приемных антенн соединен с выходом опорного генератора 15, выход фазового детектора 16 N-ой группы приемных антенн соединен с первым входом фазовращателя 17 N-ой группы приемных антенн, выход фазовращателя 17 соединен с N-ым входом суммирующего устройства 18.
Принцип работы корабельной приемной антенной системы.
Корабельные (судовые) приемные антенны настоящего времени представляются разновидностями антенн в основном 6-метровых, 4-метровых и активных однометровых. Однако диаграммы направленности антенн отличаются от равномерной в горизонтальной плоскости, необходимой для обеспечения гарантированной связи при маневрах корабля, судна. Диаграмма направленности является игольчатой. Обоснованием тому являются физические процессы, связанные с тем, что в условиях корабля, судна из-за наличия большого количества вторичных излучателей от металлических конструкций верхнепалубных устройств переизлученной энергии приемных антенн диаграмма направленности становится неравномерной.
Предложенная антенная система позволяет:
- иметь диаграмму направленности, постоянную в направлении береговой радиостанции независимо от маневра корабля, судна;
- интегрировать антенну в корпус корабля, т.е. использовать антенную систему вместо леерного ограждения;
- увеличить чувствительность радиоприема за счет совместного использования горизонтальных и вертикальных вибраторов в каждой секции;
- повысить надежность и достоверность радиоприема одновременным приемом вертикальной и горизонтальной составляющих электромагнитного поля падающей волны.
ОБ
ЦЕН.ЖИЛЫ
На фиг. 1 вариантами (а) и (б) представлены находящиеся на вооружении кораблей и судов приемные антенные устройства. Причем отличие вариантов состоит в использовании индуктивности 5 в варианте (б) с целью удлинения антенны для приема нижних частот из рабочего частотного спектра. Антенны данных вариантов предназначены для приема только вертикальной составляющей поля падающей волны. Однако, ионосферные волны приходят в точку приема эллиптической поляризации. Следовательно, в точке приема присутствуют вертикальный и горизонтальный векторы. Поэтому увеличение уровня наведенной ЭДС в антенне возможно путем приема одновременно двух составляющих. Для приема использована секционированная разрезная экранная оболочка коаксиального кабеля. Такая кабельная модель рассмотрена в двух вариантах. Одна представлена на фиг. 2, где экранная оболочка не имеет разрезов и потому наведенная ЭДС падающей электромагнитной волны приводит к появлению наведенного тока I на внешней поверхности экранной оболочки. При непрерывности экранирования эти токи не затекают на внутреннюю поверхность и, следовательно, наведенный ток в центральной жиле равен нулю (I). Экранная оболочка имеет сечение d в кабельных линиях, значительно превышающее глубину А проникновения ЭМП (d>Δ) через экран, следствием является отсутствие тока в центральной жиле. Потому коаксиальные кабели используют в радиоэлектронной технике.
ОБ
ОБ
ЦЕН.ЖИЛЫ
Второй вариант коаксиального кабеля, представленный на фиг. 3, отличается от предыдущего наличием разрезов экранной оболочки или секционированной экранной оболочки. Длина секции равна . Длина секции определяется диапазоном рабочих частот приемной антенны. В этом варианте падающая электромагнитная волна (ЭМВ) возбуждает поверхностные токи I в каждой секции. Цепь разряда поверхностным токам I через внутреннюю поверхность каждой секции. Ток, протекаемый по внутренней поверхности экранной оболочки коаксиального кабеля, возбудит наведенный ток I в центральной жиле кабеля. Таким образом, коаксиальный кабель с секционированной разрезной экранной оболочкой можно использовать в качестве приемных антенн. Причем использование подобных антенн в коротковолновом диапазоне создаст режим фильтрации спектру ультракоротких волн на основе обоснованной длины секции  экранной оболочки. Кроме того, большое значение имеет для радиоприема толщина или сечение коаксиального кабеля, чем толще кабель, тем больше коэффициент укорочения принимаемой длины волны. Таким образом, экранная оболочка в присутствии центральной жилы создаст условия увеличения диапазонных свойств антенн, выполненных на основе коаксиальных кабелей. Учитывая перечисленные свойства, использование коаксиального кабеля с секционированной экранной оболочкой реализуется в разработанной полезной модели путем интеграции в корпус судна (корабля) в виде леерного ограждения в составе антенных групп корабельной приемной антенной системы.
0
На фиг. 4 предложен вариант построения антенных групп приемной части на основе использования коаксиальных кабелей с секционированной экранной оболочкой в корабельной приемной антенной системе. Учитывая длину волны принимаемого спектра частот корабельными и судовыми антеннами, представленными на фиг. 1, следует необходимость воссоздать такой спектр в предлагаемой реализации от 100 кГц до 30 МГц. Это длины волн от λ=1000 м до λ=10 м. Наименьшая длина волны спектра принимаемых частот λ=10 м. Наилучший режим работы антенны при ее длине , что соответствует длине . Исходя из данного условия следует, что синфазность приема достигается построением групп в пределах заданных размеров, но для самой верхней частоты диапазона. Следовательно, предельные размеры групп антенных устройств могут быть больше размера 2,5 м. Применительно к антенной группе интегрированной в корпус корабля избирается леерная система ограждения обслуживающего персонала верхнепалубных устройств. Размеры леерных устройств в пределах: вертикальные стойки высотой от 1.2 м до 1.5 м; горизонтальный трос между стойками от 0,7 метра до 1 метра.
На основании размеров леерной системы ограждения и длины волны, наименьшей для частотного диапазона, можно обосновать размеры антенных групп: высота вертикального вибратора в виде коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранированной оболочкой (фиг. 3) - 1,2 метра и длина горизонтального вибратора в виде коаксиального кабеля с секционированной разрезной экранированной оболочкой - 0,8 метра.
Примеры построения и согласования антенных групп приведены на фиг. 4. Каждая группа состоит из трех секций приемных антенн. Первая группа состоит из трех секций:
- первая секция образована первым горизонтальным вибратором с секционированной разрезной экранированной оболочкой коаксиального кабеля  и вертикальным вибратором с секционированной разрезной экранированной оболочкой коаксиального кабеля , соединенных в стеклопластиковом корпусе крепления , расположенного в верхней части вертикального вибратора , а нижняя часть этого вертикального вибратора  располагается в стеклопластиковом корпусе  для его крепления и крепления корпуса  к корпусу корабля, судна 13, центральная жила последовательно включенных горизонтального  и вертикального  вибраторов первой секции соединена с клеммой «» первого проводника многожильного кабеля 12;
- вторая секция образована вторым горизонтальным вибратором с секционированной разрезной экранированной оболочкой коаксиального кабеля , закрепленной с одной стороны в стеклопластиковом корпусе , а с другой стороны в стеклопластиковом креплении  совместно со вторым вертикальным вибратором с секционированной разрезной экранированной оболочкой коаксиального кабеля , а в нижней части вертикального вибратора  располагается стеклопластиковый корпус  для его крепления и крепления к корпусу корабля, судна 13; центральная жила последовательно включенных горизонтального  и вертикального  вибраторов второй секции первой группы соединена со второй клеммой «» первого проводника многожильного кабеля 12;
- третья секция образована третьим горизонтальным вибратором с секционированной разрезной экранированной оболочкой коаксиального кабеля , закрепленной с одной стороны в стеклопластиковом корпусе , а с другой - стороны в стеклопластиковом креплении  совместно с вертикальным вибратором с секционированной разрезной экранированной оболочкой коаксиального кабеля , а в нижней части вертикального секционированного коаксиального кабеля  располагается стеклопластиковый корпус  для его крепления и крепления к корпусу корабля, судна 13; центральная жила последовательно включенных горизонтального  и вертикального  вибраторов третьей секции соединена с третьей клеммой «» первого проводника многожильного кабеля 12.
Вторая группа состоит из трех секций:
- первая секция образована первым горизонтальным вибратором с секционированной разрезной экранированной оболочкой коаксиального кабеля  и вертикальным вибратором с секционированной разрезной экранированной оболочкой коаксиального кабеля , соединенных в стеклопластиковом корпусе крепления , расположенного в верхней части вертикального вибратора , а нижняя часть этого вертикального вибратора  располагается в стеклопластиковом корпусе  для его крепления и крепления к корпусу корабля, судна 13, центральная жила последовательно включенных горизонтального  и вертикального  вибраторов первой секции второй группы соединена с клеммой «» второго проводника многожильного кабеля 12;
- вторая секция образована вторым горизонтальным вибратором с секционированной разрезной экранированной оболочкой коаксиального кабеля , закрепленной с одной стороны в стеклопластиковом корпусе , а с другой стороны - в стеклопластиковом креплении  совместно с вертикальным вибратором с секционированной разрезной экранированной оболочкой коаксиального кабеля , а в нижней части вертикального вибратора  располагается стеклопластиковый корпус  для его крепления и крепления к корпусу корабля, судна 13; центральная жила последовательно включенных горизонтального  и вертикального  вибраторов второй секции второй группы соединена со второй клеммой «» второго проводника многожильного кабеля 12;
- третья секция образована третьим горизонтальным вибратором с секционированной разрезной экранированной оболочкой коаксиального кабеля , закрепленной с одной стороны в стеклопластиковом корпусе , а с другой стороны - в стеклопластиковом креплении  совместно с вертикальным вибратором с секционированной разрезной экранированной оболочкой коаксиального кабеля , а в нижней части вертикального вибратора  располагается стеклопластиковый корпус  для его крепления и крепления к корпусу корабля, судна 13; центральная жила последовательно включенных горизонтального  и вертикального  вибраторов третьей секции второй группы соединена с третьей клеммой «» второго проводника многожильного кабеля 12.
Последующие группы приемных антенн образованы подобным образом вплоть до N-ой группы приемных антенн.
Каждая группа из N-ой соответствует дипольному источнику ввиду их малых размеров, поэтому три секции в каждой группе работают как одна.
Наведенная ЭДС в горизонтальном и вертикальном вибраторах каждой секции есть результат действия горизонтальной и вертикальной составляющих разложения эллиптически поляризованной падающей электромагнитной волны. Использование на приеме двух поляризаций увеличит наведенную ЭДС и исключит поляризационные замирания ионосферных волн.
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
Наведенная ЭДС в трех секциях 14 (фиг. 6) поступает на один из N проводников многожильного кабеля 12 через три клеммы в каждой группе: «», «» и «». При этом каждый проводник из N на выходе из многожильного кабеля 12 соединен параллельно с первыми входами N фазовых детекторов 16 в каждой группе и со вторыми входами N фазовращателей 17. Выходы N фазовых детекторов 16 в каждой группе соединены с первыми входами N фазовращателей 17. Опорный генератор 15 соединен со вторыми входами каждого из N фазовых детекторов 16. Опорный генератор 15 для приема настраивается на частоту радиоприема и напряжение данной частоты поступает на второй вход каждого фазового детектора 16. При этом поступающая ЭДС от каждой из N групп на первый вход каждого фазового детектора 16 сравнивается по фазе, и результаты сравнения поступают на фазовращатели 17 по их первому входу. Фазовращатели 17 исправляют фазу принятой ЭДС в каждой группе, и синфазное напряжение с выходов N групп от N фазовращателей 17 поступает на N входов сумматора 18 и далее с выхода сумматора 18 - на вход радиоприемного устройства 3.
0
НАГ.
ОБ
ЦЕН.ЖИЛЫ
ОБ
НАГ.
НАГ.
На фиг. 5 представлена структура первой секции 14 и принцип действия в качестве одной из секций антенной системы. Данная секция в полной мере отражает принцип приема каждой секцией в каждой группе корабельной приемной антенной системы. Каждая секция, таким образом, содержит: стеклопластиковый корпус крепления горизонтального коаксиального вибратора и является начальным элементом первой секции приемной антенной системы 8, стеклопластиковый корпус  крепления в верхней части трех коаксиальных вибраторов: двух горизонтальных  и  и одного вертикального ; высокоомное сопротивление нагрузки секции горизонтально-вертикальной приемной антенны R, стеклопластиковый корпусов  крепления вертикального коаксиального вибратора секции приемной антенны к корпусу корабля, судна 13, многожильный кабель с первым проводником из этого многожильного кабеля. При этом наведенный ток I в секциях секционированной экранной оболочке, возбуждаемый энергией падающей электромагнитной волны и циркулирующий по внешней и внутренней поверхности секционированного, разрезного экрана коаксиального антенного вибратора возбуждает наведенный ток в центральной жиле I за счет тока I, протекаемого по внутренней поверхности секционированной экранной оболочки. Таким образом, в горизонтальном вибраторе наводится ЭДС горизонтальной составляющей падающей ЭМВ, в вертикальном вибраторе - вертикальной составляющей. Горизонтальный и вертикальный вибратор клеммой «б» соединены, следовательно суммарная ЭДС приложена к нагрузочному сопротивлению R, включенному между клеммой «в» антенны и клеммой «г» корпуса корабля 13. Наведенная ЭДС, как падение напряжения, снимается с нагрузочного сопротивления R, т.е. с клеммы «в» через клемму «» наведенное напряжение поступает на первый проводник многожильного кабеля 12.
Таким образом, работают все секции, создавая наведенную ЭДС за счет работы горизонтальных и вертикальных вибраторов в каждой секции.
Совокупность существенных признаков заявляемого устройства обеспечит достижение поставленной цели.
Техническим результатом полезной модели является единая конструкция корабельной приемной антенной системы, группы приемных антенн которой интегрированы в корпус судна (корабля) в виде леерного ограждения, возможность исключения поляризационных замираний ионосферных волн реализована путем использования горизонтально-вертикальных вибраторов, а самофокусирующаяся антенная решетка создана за счет применения N групп приемных антенн, опорного генератора, N фазовых детекторов и N фазовращателей в каждой группе приемных антенн, суммирующего и радиоприемного устройства.
Авторам не известны технические решения из области радиосвязи, антенной техники, содержащие признаки, эквивалентные отличительным признакам заявляемого устройства.
Авторам не известны технические решения из других областей техники, обладающие свойствами заявляемого технического решения. Таким образом, заявляемое техническое решение, по мнению авторов, обладает критерием существенных признаков.