САМОЛЕТНАЯ АНТЕННА
AIRCRAFT ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования в качестве широкополосных антенн радиосвязи на летательных аппаратах (ЛА).
Для радиосвязи в ДМВ-диапазоне на летательных аппаратах применяют антенны вертикальной поляризации, имеющие всенаправленное излучение в горизонтальной плоскости.
В ДМВ-диапазоне радиосвязь осуществляется практически в пределах прямой видимости, а на расстояниях 500 км и более радиосвязь между ЛА происходит преимущественно в горизонтальной плоскости. Поэтому для антенн, установленных на ЛА, дальность связи на больших расстояниях определяется величиной коэффициента усиления (КУ) антенны в горизонтальной плоскости.
В качестве антенны радиосвязи на ЛА применяют выступающую антенну четвертьволновый несимметричный вибратор [1, 2, 3], который устанавливают на фюзеляже ЛА. Эта антенна имеет малую высоту, малое аэродинамическое сопротивление, поэтому ее удобно использовать на самолетах.
Недостатком такой антенны является ограничение по дальности радиосвязи. Причина в том, что максимумы диаграмм направленности (ДН) несимметричного вибратора, установленного на проводящей поверхности ограниченных размеров (на ЛА), направлены вверх под углом к горизонтальной плоскости [1]. Поэтому величина КУ в горизонтальной плоскости у несимметричного вибратора заметно меньше, чем в максимуме ДН.
Известны широкополосные антенны [4, 5] типа полуволновой симметричный вибратор. Такие антенны имеют более высокий КУ в горизонтальной плоскости, чем четвертьволновый несимметричный вибратор и могут обеспечить большую дальность радиосвязи. Преимущество их заключается также в том, что согласование симметричного вибратора, по сравнению с несимметричным, в заданном рабочем диапазоне частот (РДЧ) значительно меньше зависит от поверхности, на которой он установлен. Известные антенны типа полуволновой симметричный вибратор предназначены для установки на наземных объектах и на кораблях, могут устанавливаться на мачты. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой самолетной антенне является антенна [6]. Антенна-прототип имеет хорошие электрические характеристики: широкую полосу согласования и практически круговую ДН в горизонтальной плоскости. Имеет малый вес, но сложную объемную конструкцию излучателя, выполненного на печатных платах. Конструкция антенны-прототипа крестообразна при виде сверху и защищена радиопрозрачным обтекателем цилиндрической формы.
Недостаток антенны-прототипа состоит в том, что ее нельзя применять на ЛА. Она имеет цилиндрическую форму, аэродинамика которой не соответствует большим скоростям ЛА, и большое поперечное сечение. При установке на ЛА антенна-прототип будет иметь очень большое аэродинамическое сопротивление. По оценкам лобовое сопротивление антенны-прототипа будет в 50÷100 раз больше, чем у антенны, имеющей специальную обтекаемую форму, предназначенную для ЛА. С одной стороны это увеличенный расход топлива ЛА, а с другой стороны, в полете такая антенна может не выдержать аэродинамических нагрузок и разрушиться. В зависимости от скорости и высоты полета антенна-прототип может испытывать нагрузки, достигающие величины в десятки и сотни килограмм. Разрушение антенны в полете представляет опасность для ЛА и для летчика.
Недостатком антенны-прототипа также является сложность ее конструкции.
Таким образом, недостатками антенны-прототипа являются: большие поперечные размеры и цилиндрическая форма, создающие значительное аэродинамическое лобовое сопротивление, а также сложность конструкции антенны.
Основной технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение сложности конструкции антенны при сохранении электрических характеристик антенны-прототипа, а также уменьшение лобового аэродинамического сопротивления с целью применения антенны на ЛА.
Указанный технический результат достигается тем, что в самолетной антенне, выполненной в виде полуволнового симметричного вибратора, и содержащей плечи вибратора, соединенные с земляной шиной, вдоль которой проходит коаксиальная линия питания, при этом плечи вибратора выполнены в виде вертикальных коллинеарных Г-образных шлейфов, причем горизонтальные части Г-образных шлейфов соединены с земляной шиной, плечи вибратора выполнены в виде двухуровневой системы вертикальных коллинеарных Г-образных шлейфов, на каждом уровне расположено по два Г-образных шлейфа, лежащих в одной плоскости симметрично относительно земляной шины, при этом плечи вибратора и земляная шина выполнены в виде единого плоского проводника, а вертикальные части Г-образных шлейфов направлены вниз, на вертикальных частях Г-образных шлейфов верхнего уровня закреплены плоские конденсаторы, которые одной обкладкой подключены к вертикальным частям Г-образных шлейфов, а другой обкладкой подключены к коаксиальной линии питания, полуволновой вибратор закреплен вертикально на верхней поверхности фланца, который установлен на фюзеляже самолета, при этом земляная шина имеет механическое и гальваническое соединение с верхней поверхностью фланца, а на нижней поверхности фланца закреплен высокочастотный соединитель антенны, обеспечивающий электрическое соединение высокочастотного (ВЧ) тракта с линией питания.
Полуволновой вибратор самолетной антенны от внешних воздействий закрыт радиопрозрачным обтекателем, имеющим плоскую форму и аэродинамические обводы, соответствующие скоростям летательного аппарата, на котором антенна установлена.
На фиг. 1 и фиг. 2 представлены два варианта предлагаемой самолетной антенны типа полуволновой симметричный вибратор. Это плоская выступающая фюзеляжная антенна в радиопрозрачном обтекателе, имеющем аэродинамические обводы. На фиг. 1 представлен вариант антенны, имеющий форму симметричного прямого самолетного крыла. На фиг. 2 представлен вариант антенны, имеющий стреловидную форму и предназначенный для сверхзвуковых скоростей.
На чертежах обозначены: 1 - высокочастотный соединитель, 2 - фланец, 3 - радиопрозрачный обтекатель, 4 - нижнее плечо вибратора, 5 - плоский конденсатор, 6 - верхнее плечо вибратора, 7 - коаксиальная линия питания, 8 - земляная шина.
Предлагаемая самолетная антенна представляет собой полуволновой симметричный вибратор. Плечи вибратора 4, 6 выполнены в виде двухуровневой системы вертикальных коллинеарных Г-образных шлейфов, которые соединены с земляной шиной 8. Вдоль земляной шины 8 проходит коаксиальная линия питания 7. На каждом уровне расположено по два Г-образных шлейфа, которые лежат в одной плоскости симметрично относительно земляной шины 8, при этом вертикальные части Г-образных шлейфов направлены вниз. Плечи вибратора 4, 6 и земляная шина 8 выполнены в виде единого плоского проводника. На вертикальных частях Г-образных шлейфов верхнего уровня закреплены плоские конденсаторы 5. Одной обкладкой плоские конденсаторы 5 подключены к вертикальным частям Г-образных шлейфов, а другой обкладкой они подключены к коаксиальной линии питания 7. Полуволновой вибратор закреплен вертикально на верхней поверхности фланца 2, который установлен на фюзеляже самолета. Земляная шина 8 имеет механическое и гальваническое соединение с верхней поверхностью фланца 2, а на нижней поверхности фланца 2 закреплен высокочастотный соединитель 1 антенны, обеспечивающий электрическое соединение ВЧ-тракта с линией питания 7.
Самолетная антенна имеет радиопрозрачный обтекатель 3, который закрывает полуволновой симметричный вибратор от внешних воздействий. Радиопрозрачный обтекатель 3 имеет плоскую форму и аэродинамические обводы, соответствующие скоростям летательного аппарата, на котором установлена антенна.
Предлагаемая антенна работает следующим образом.
Самолетная антенна предназначена для приема и передачи электромагнитных волн в ДМВ-диапазоне. При работе на передачу ВЧ-сигнал от передатчика радиостанции по ВЧ-тракту поступает на входной высокочастотный соединитель 1 самолетной антенны. Далее по линии питания 7 поступает на нижнее плечо вибратора 4, а также через два плоских конденсатора 5 на верхнее плечо вибратора 6, после чего излучается вибратором в свободное пространство и в виде электромагнитных волн проходит через радиопрозрачный обтекатель 3.
При работе на прием все происходит в обратном порядке. Падающая электромагнитная волна проходит через радиопрозрачный обтекатель 3 и на нижнем плече вибратора 4 и верхнем плече вибратора 6 преобразуется в ВЧ-токи, наведенные на поверхности вибратора. Далее ВЧ-сигнал через плоские конденсаторы 5 по линии питания 7 и через высокочастотный соединитель 1 по ВЧ-тракту поступает на приемник радиостанции.
Симметричный плоский вибратор выполнен в виде единого плоского проводника, плечи 4 и 6 которого представляют собой Г-образные шлейфы. Изменяя длину вертикальной части Г-образных шлейфов можно настроить самолетную антенну на нужную частоту рабочего диапазона частот. Изменением ширины плоских Г-образных шлейфов можно менять ширину рабочего диапазона частот и настраивать предлагаемую самолетную антенну ДМВ-диапазона на заданный РДЧ.
Радиопрозрачный обтекатель 3 обеспечивает защиту от внешних воздействий и хорошую аэродинамику предлагаемой самолетной антенны.
Наличие радиопрозрачного обтекателя и горизонтальных частей Г-образных шлейфов на нижнем плече вибратора 4 и верхнем плече вибратора 6, приводит к уменьшению высоты предлагаемой антенны, по сравнению с обычным линейным симметричным вибратором. В ДМВ-диапазоне на частоте 1000 мГц высота предлагаемой антенны, показанной на фиг. 1, 2, около 130 мм. При этом уменьшается и лобовое сопротивление антенны. По расчетным данным на высоте 10 км и скорости 800 км/час лобовое сопротивление антенны-прототипа будет порядка Р=122,35 кг, а лобовое сопротивление предлагаемой антенны - порядка Р=1,1 кг, что в 111 раз меньше.
Плоские конденсаторы 5 защищают радиостанцию от электростатических разрядов, создающих помехи в работе радиостанции. Известно, что токи возникающие в результате электростатических разрядов находятся преимущественно в низкочастотном диапазоне. Плоские конденсаторы 5 вместе с земляной шиной 8 представляют собой фильтр верхних частот (ФВЧ) [7]. Параметры конденсаторов 5 и земляной шины 8 выбираются таким образом, чтобы граничная частота ФВЧ была ниже РДЧ, но выше частот токов электростатических разрядов. Таким образом, в предлагаемой антенне полезный ВЧ-сигнал беспрепятственно проходит через плоские конденсаторы 5, а токи электростатического разряда стекают по земляной шине на фюзеляж самолета минуя радиостанцию.
На фиг. 3 показаны поперечные сечения (мидель) предлагаемой антенны и антенны прототипа при условии равенства их высоты. На фиг. 4 показаны вид сверху и профили предлагаемой антенны стреловидной формы и антенны-прототипа. На фиг. 5 показана полоса пропускания предлагаемой самолетной антенны ДМВ диапазона. По уровню коэффициента стоячей волны КСВ=2 она имеет перекрытие по частоте равное 1,77. На фиг. 5 видно, что по уровню КСВ=2 данная антенна может иметь и более широкую полосу пропускания. На фиг. 6 показана характеристика КСВ предлагаемой антенны в РДЧ.
На фиг. 7, 8 показана компьютерная модель и полученная расчетная диаграмма КУ в вертикальной плоскости для симметричного полуволнового вибратора, расположенного на диске. На фиг. 9, 10 показана компьютерная модель и полученная расчетная диаграмма КУ в вертикальной плоскости для несимметричного четвертьволнового вибратора, расположенного на диске. На приведенных фигурах видно, что в плоскости горизонта (точки m1 и m2) величина КУ симметричного полуволнового вибратора в среднем на 1,8 дБ превышают величину КУ несимметричного четвертьволнового вибратора.
Таким образом, предлагаемая самолетная антенна типа симметричный полуволновой вибратор имеет преимущество по сравнению с самолетной антенной типа четвертьволновый несимметричный вибратор. На проводящей поверхности ограниченных размеров (на ЛА) угол отклонения максимумов ДН от горизонтальной поверхности у симметричного вибратора меньше, чем у несимметричного вибратора. Самолетная антенна типа полуволновой симметричный вибратор имеет более высокий КУ в горизонтальной плоскости, поэтому может обеспечить большую дальность радиосвязи, чем самолетная антенна типа несимметричный вибратор. Преимущество предлагаемой антенны состоит также в том, что согласование симметричного вибратора, по сравнению с несимметричным, в РДЧ значительно меньше зависит от поверхности, на которой он установлен.
Литература
1. Шатраков Ю.Г., Ривкин М.И., Цыбаев Б.Г. Самолетные антенные системы. М., Машиностроение, 1979, стр. 106-107.
2. Резников Г.Б. Антенны летательных аппаратов. М., Советское радио, 1967, 416 с.
3. Резников Г.Б. Самолетные антенны. М., Советское радио, 1962, стр. 277.
4. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. М., Советское радио, 1974, стр. 391-392.
5. Вершков М.В., Миротворский О.Б. Судовые антенны. Л., Судостроение, 1990, стр. 191.
6. Патент РФ №2097883 (прототип).
7. Мейнке X. и Гундлах Ф.В. Радиотехнический справочник, том I, Госэнергоиздат. М., Ленинград, 1960, стр. 112-116, 310.