КОРАБЕЛЬНАЯ ПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА-5

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., представленная на фиг. 1. Корабельная передающая антенная система по патенту №160164 представляет собой антенную систему, состоящую высокочастотный генератор, соединенный через усилитель мощности коаксиальной кабельной линией с согласующим устройством, N выходов согласующего устройства соединены с входами N антенных модулей одинаковой длины фидерными линии, проходящими через отверстия в металлической поверхности корабля, а высокочастотный генератор, усилитель мощности и согласующее устройство расположены внутри корпуса корабля (судна); каждый из N антенных модулей, с первого по N, представляет собой цилиндрической формы излучатель высотой 40 см и диаметром 40 см, состоящий из N плоских разрезных металлических пластин изолированных друг от друга и соединенных между собой перемычками, при этом верхняя пластина излучателя представляет собой цельный металлический диск клеммой в центре диска, соединенный к экспоненциальной нагрузке, размещенной в активном наполнителе с параметрами ε=10 и μ=10 внутри цилиндрического излучателя.
Рабочий частотный диапазон антенного модуля составляет от 3 до 30 МГц с коэффициентом бегущей волны тока в нем в пределах 0,6. Антенный модуль по патенту №160164 представлен на фиг 2.
В полезной модели патента №160164 рассмотрен путь увеличения диапазонных свойств антенны, т.е. 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 разнесения элементов антенны от земляного провода.
A
A
На фиг. 2 приведено конструктивное исполнение 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 пластин, по которой не протекает ток, будет находиться под потенциалом, что позволит иметь заданную величину погонной емкости антенны.
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 клеммы «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 середины 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 модуля, представленного на фиг. 2.
A
A
Пусть к нижней пластине, или первой пластине, ток I через перемычку достигает контактной клеммы «а», далее 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 фиг. 3. 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 по фиг. 2. Таким образом, показана цепь протекания тока по излучающему модулю. Причем если задействовать всю пластину, т.е ток пропускать по всей пластины через весь виток, а не по половине витка, то возрастает индуктивность, а емкость остается неизменной, в этом случае невозможно достигнуть постоянства волнового сопротивления. Однако по прототипу схемы протекания тока I или по половине вдоль каждой пластины в модуле возникают следующие проблемы, которые не позволяют добиться резкого увеличения коэффициента бегущей волны.
A
Как видно из фиг. 3 каждая пластина может быть разделена на часть пластины токовой от клеммы «а» до клеммы «б», по которой течет ток антенны I, и части пластины емкостной от клеммы «а» до разреза в каждой из пластин, в которой ток течь не должен. Емкостная часть пластины необходима только, чтобы увеличить погонную емкость, а так как площадь пластин разная, то емкость увеличивается к вершине антенного модуля, что позволяет создать постоянство волнового сопротивления вдоль модуля для протекания по нему тока излучения.
A
ПАД
ОТР
ОТР
В каждой емкостной части пластины (фиг. 4), не включенной в цепь тока антенны I, создается изолированный на конце проводник, представляющий по длине половиной части от каждой проводящей пластины и, расположенный 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. Возникающая отраженная волна тока I в емкостной части пластины накладывается на ток антенны в токовой части пластины, т.е. в цепи тока  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 независимо от рабочей частоты на основе повышения коэффициента бегущей волны тока антенного модуля.
ОТР
ПАД
A
Поставленная цель достигается устранением отраженной волны тока I. Повысить коэффициент бегущей волны значит увеличить излученную мощность модуля, при заданных равных условиях по подведенной к модулю мощности. Для повышения КБВ в антенном модуле можно обосновать следующее направление, позволяющее создание цепи использующий ток падающей волны I для увеличения тока антенны I.
Антенная система содержит высокочастотный генератор, соединенный через усилитель мощности коаксиальной кабельной линией с согласующим устройством, N выходов согласующего устройства соединены с входами N антенных модулей одинаковой длины фидерными линии, проходящими через отверстия в металлической поверхности корабля, а высокочастотный генератор, усилитель мощности и согласующее устройство расположены внутри корпуса корабля (судна); каждый из N антенных модулей, с первого по N, представляет собой цилиндрической формы излучатель высотой 40 см и диаметром 40 см, состоящий из N плоских разрезных металлических пластин изолированных друг от друга и соединенных между собой перемычками, при этом верхняя пластина излучателя представляет собой цельный металлический диск клеммой в центре диска, соединенный к экспоненциальной нагрузке, размещенной в активном наполнителе с параметрами ε=10 и μ=10 внутри цилиндрического излучателя.
ПАД
A
N
На фиг. 5 представлена реализация использования тока падающей волны I для увеличения тока антенного модуля I. Рассмотрим принцип действия. Пусть ток заданной частоты генератора 3 (фиг. 1) через усилитель 6, через согласующее устройство 7 поступает на один из N антенных модулей 1. При этом через клемму «к» этот ток подается на первую пластину антенного модуля фиг. 2.
N
A
A
A
Пусть на первую пластину одного из N антенного модуля 1 фиг. 5 ток генератора 3 через усилитель 6 и согласующее устройство 7 (фиг.1 и 2) поступает на клемму «», т.е. на первую клемму первой пластины. Этот ток протекает по первой токовой пластине от клеммы «» ко второй клемме «» первой пластины модуля. Далее ток разветвляется на две параллельные равные цепи с током в каждой цепи равной I/2, токи этих цепей, протекая по одинаковой длине пластин и перемычек, складываются в фазе, подойдя ко второй клемме «» второй пластины. Первая из параллельных цепей протекания тока I/2 образуется цепью через перемычку, включенную между второй клеммой «» первой пластины и первой клеммой «» второй пластины и продолжение цепи по токовой части второй пластины до второй клеммы «» второй пластины. Вторая из параллельных цепей протекания тока I/2 образуется цепью от клеммы «» первой пластины по емкостной части первой пластины до третьей клеммы «» первой пластины и продолжением цепи по перемычке, включенной между третьей клеммой «» первой пластины и второй клеммой «» второй пластины. Далее подобное в виде параллельной цепи образуется при совместном использовании второй и третьей пластин.
A
A
A
Далее от второй клеммы «» второй пластины ток антенного модуля протекает по двум цепям, в которых протекает одинаковый ток равный I/2. Первая из параллельных цепей протекания тока I/2 образуется цепью через перемычку, включенную между второй клеммой «» второй пластины и первой клеммой «» третьей пластины и продолжение цепи по токовой части третьей пластины до второй клеммы «» третьей пластины. Вторая из параллельных цепей протекания тока I/2 образуется цепью от второй клеммы «» второй пластины по емкостной части второй пластины до третьей клеммы «» второй пластины и продолжение цепи по перемычке, включенной между третьей клеммой «» второй пластины и второй клеммой «» третьей пластины. Далее подобное в виде параллельной цепи образуется при совместном использовании последующих из N пластин модуля.
Таким образом, согласованный режим работы плоских разрезных пластин, из которых состоит каждый из N антенных модулей, обеспечен. Образованы параллельные и равные цепи для протекания тока модуля устраняющие отраженную волну.
A
A
A
A
A
A
Показанная особенность протекания тока в виде I/2 в разрезных пластинах позволила разработать антенный модуль корабельной передающей антенной системы, устраняющий недостатки прототипа. 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 пластины изолированной от корпуса корабля 2 изолятором 10 и от второй пластины П2, при этом экранная оболочка коаксиального кабеля 8 соединена с корпусом корабля 2. Ток генератора I от входной первой клеммы «» первой пластины П1 протекает по токовой части пластины ко второй клемме «» первой пластины и далее от второй клеммы «» первой пластины по параллельным цепям до клеммы «» второй пластины П2: при этом первая цепь для тока I/2 образована перемычкой между клеммами «» и «», далее через первую клемму «» второй пластины П2 через токовую часть второй пластины П2 до ее второй клеммы «», а вторая цепь для тока I/2 образована емкостной частью первой пластины П1 от второй клеммы «» первой пластины до ее третьей клеммы «» и далее через перемычку между клеммами «» и «». Далее через вторую клемму «» второй пластины П2 ток протекает по параллельным цепям до второй клеммы «» третьей пластины П3: при этом первая цепь для тока I/2 образована через перемычку между второй клеммой «» второй пластины и первой клеммой «» третьей пластины и далее через токовую часть третьей пластины П3 между клеммами «» и «», а вторая цепь для тока I/2 образована от второй клеммы «» второй пластины к ее третьей клемме «» через емкостную часть второй пластины П2 и через перемычку между клеммами «» и «».
A
Далее от второй клеммы «» третьей пластины П3 ток протекает по параллельным цепям ко второй клеммы «» четвертой пластины П4: при этом первая цепь для тока П2 образована через перемычку между второй клеммой «» третьей пластины П3 и первой клеммой «» четвертой пластины П4 и далее через токовую часть четвертой пластины П4 между клеммами «» и «», а вторая цепь для тока I/2 образована от второй клеммы «» третьей пластины П3 к ее третьей клемме «» через емкостную часть третьей пластины П3 и далее через перемычку между клеммами «» и «».
A
A
Далее от второй клеммы «» четвертой пластины П4 ток протекает по параллельным цепям ко второй клемме «» пятой пластины П4: при этом первая цепь для тока I/2 образована через перемычку между второй клеммой «» четвертой пластины П4 и первой клеммой «» пятой пластины и далее через токовую часть пятой пластины П5 между ее первой клеммой «» и второй клеммой «», а вторая цепь для тока I/2 образована от второй клеммы «» четвертой пластины П4 до ее третьей клеммы «» через емкостную часть четвертой пластины П4 и через перемычку между третьей клеммой «» четвертой пластины и второй клеммой «» пятой пластины.
Таким образом, в антенном модуле образуются параллельные цепи, равные по длине и расположению в системе из N параллельно расположенных пластин. В цепях протекают синфазные токи, исключающие возникновение отраженной волны, поэтому повышается коэффициент бегущей волны.
Для верхних пластин от ПN-2, через ПN-1 и ПN в антенном модуле образованы также параллельные цепи для протекания тока, которые также исключают возникновение отраженной волны на основании наличия следующих симметричных цепей.
A
A
A
A
От второй клеммы «» N-2 пластины ПN-2 ток протекает по параллельным цепям до второй клеммы «» N-1 пластины ПN-1: при этом первая цепь для тока I/2 образована через перемычку между второй клеммой «» N-2 пластины ПN-2 и первой клеммой «» N-1 пластины ПN-1 и далее через токовую часть N-1 пластины ПN-1 между первой клеммой «» N-1 пластины ПN-1 и ее второй клеммой «», а вторая цепь для тока I/2 образована от второй клеммы «» N-2 пластины ПN-2 до ее третьей клеммы «» через емкостную часть N-2 пластины ПN-2 и далее через перемычку между третьей клеммой «» N-2 пластины ПN-2 и второй клеммой «» N-1 пластины ПN-1. Далее от первой клеммы «» N-1 пластины ПN-1 ток протекает по параллельным цепям до клеммы «В» N пластины ПN: при этом первая цепь для тока I/2 образована через токовую часть N-1 пластины ПN-1 между первой клеммой «» N-1 пластины ПN-1 и ее второй клеммой «» и далее через перемычку между второй клеммой «» N-1 пластины ПN-1 и первой клеммой «» N пластины ПN, а также проводимостью сплошной N пластиной ПN, выполненной в виде диска между клеммами «» и «В», а вторая цепь для тока I/2 образована от второй клеммы «» N-1 пластины ПN-1 до ее третьей клеммы «» через емкостную часть N-1 пластины ПN-1 и через перемычку между третьей клеммой «» N-1 пластины ПN-1 и второй клеммы «» N пластины ПN и через N пластину до клеммы «В».
Клемма «В» соединена с корпусом корабля через экспоненциальную нагрузку 4 размещенную в магнитодиэлектрической среде 9 с параметрами ε=10 и μ=10.
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.