КОЛЬЦЕВАЯ ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННА
ANNULAR SLOT ANTENNA

Предлагаемое изобретение относится к антенной технике метрового и дециметрового (сантиметрового) диапазонов радиоволн и может быть использовано для обеспечения связи в этих диапазонах на стационарных и подвижных, включая летно-подъемные, объектах различного назначения.
Известны кольцевые щелевые антенны, содержащие прорезанные в металлическом листе кольцевые щели, прикрываемые с одной стороны круговыми цилиндрическими эндовибраторами /1, 2, 3/.
Недостатком кольцевых щелевых антенн /1, 2/ является устойчивая работа только в метровом диапазоне радиоволн, однако в дециметровом (сантиметровом) диапазоне радиоволн ожидаются нарушения связи прямой видимости за счет влияния различных местных предметов, поскольку диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости, формируемые при излучении дециметровых (сантиметровых) радиоволн подобны диаграммам направленности метровых радиоволн. При этом особенности распространения радиоволн метрового и дециметрового (сантиметрового) диапазонов радиоволн разные. Если метровые радиоволны огибают небольшие неровности земли, проходят через уплотненные кустарники, другие местные предметы, то дециметровые (сантиметровые) радиоволны такими возможностями не обладают. Им требуется прямая видимость между объектами связи, исключающая влияние местных предметов. То есть под углами места, стремящимися к зениту, а не к земной поверхности.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является кольцевая щелевая антенна /3/, отличающаяся от антенны /1/, лучшей устойчивостью связи за счет использования резервного излучателя для работы в дециметровом (сантиметровом) диапазоне радиоволн. Указанная антенна позволяет получить один дополнительный резервный канал передачи информации в дециметровом (сантиметровом) диапазоне радиоволн, но уже не вдоль поверхности земли, а, исключая влияние местных предметов, на основе излучения радиоволн в зенит под заданным углом места в направлении на излучающий из зенита объект. Вместе с тем, для гарантированного обеспечения обмена специальной служебной информацией одного резервного канала в дециметровом (сантиметровом) диапазоне радиоволн кольцевой щелевой антенны /3/ может оказаться недостаточно.
Для устранения указанного недостатка в конструкции кольцевой щелевой антенны /3/, выбранной в качестве прототипа, в ее малом эндовибраторе добавлен второй верхний параболический излучатель дециметрового (сантиметрового) диапазона радиоволн, позволяющий обеспечивать излучение радиоволн в зенит, но уже под другим углом места с целью уменьшения влияния местных предметов, повышения устойчивости радиоканалов связи. При этом большой эндовибратор и коническая часть малого эндовибратора антенны остаются без изменений. При этом малый эндовибратор вместе с диском смещаются по вертикали вниз. Кроме того, применен дополнительный диск, края которого изогнуты в направлении верхнего края добавленного второго верхнего параболического излучателя, расположенного у поверхности антенны. Коаксиально-кабельная система питания, используемая в конструкции антенны прототипа, здесь заменена на четырехаксиальный кабель питания. В результате изменений конструкция новой антенны включает в себя излучатель метровых радиоволн и две рупорно-параболические антенны дециметрового (сантиметрового) диапазона радиоволн.
Тем самым поставленную цель создание такой кольцевой щелевой антенны, в которой при прежних габаритных размерах антенны в дополнение к метровому диапазону основного назначения получить помимо одного дециметрового (сантиметрового) резервирующего канала связи, еще один резервирующий дециметровый (сантиметровый) канал связи, излучение которого также направлено в зенит, но уже под другим углом места, следует считать достигнутой. Рассмотрение конструкции новой кольцевой щелевой антенны показывает, что заявляемое устройство отличается от прототипа наличием новых блоков в кольцевой - щелевой антенне и эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии технических решений критерию «новизна». В тоже время признаки, отличающие технические решения от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемым техническим решениям соответствие критерию «существенные отличия».
1
2
Технический результат: наряду с ранее имеющейся возможностью обеспечения устойчивой радиосвязи в метровом диапазоне радиоволн и дециметровом (сантиметровом) диапазоне радиоволн под углом места Δ получен дополнительный второй канал связи дециметрового (сантиметрового) диапазона радиоволн, излучение которого направленно в зенит под другим углом места Δ. Геометрические размеры антенны при этом остаются прежними.
На фигуре 1 изображен в разрезе общий вид известной металлической кольцевой щелевой антенны /3/, выбранной в качестве прототипа. Кольцевая щелевая антенна содержит большой конически - цилиндрический эндовибратор, заполненный сейсмостойким радиопрозрачным влагостойким высокочастотным диэлектриком, например: полимербетоном типа ФАЭД/4/, состоящий из конической части 1 и цилиндрической части 2, переходящей на ее конце в ортогонально расположенное к ней в горизонтальной плоскости первое большое круговое кольцо 3, малый конически - параболический эндовибратор, заполненный сейсмостойким влагостойким сверхвысокочастотным диэлектриком, например: стеклопенокерамикой типа ВКП-4 /4/, состоящий из конической части 4 и параболической части 5, переходящей на ее конце в ортогонально расположенное к ней в горизонтальной плоскости второе малое круговое кольцо 6, первую кольцевую излучающую щель 7, находящуюся между минимальной окружностью первого большого кругового кольца 3 и максимальной окружностью второго кругового кольца 6, вторую кольцевую излучающую щель 8, находящуюся между минимальной окружностью второго кругового кольца 6 и окружностью периметра диска 9. Первый радиочастотный несимметричный коаксиальный кабель питания имеет внутреннюю цилиндрическую полость вдоль всего трубчатого металлического центрального провода, экранная оболочка 10 этого провода электрически присоединяется к конической части 1 снизу у вершины конуса, а центральный провод первого кабеля питания 11, находящийся в трубчатой диэлектрической изолирующей оболочке 12, выходит через отверстие возле вершины конуса и электрически присоединяется к конической части 4 снизу возле вершины конуса. Второй радиочастотный несимметричный коаксиальный кабель питания имеет сплошную экранную оболочку, в качестве которой используется внутренняя металлическая поверхность трубчатого центрального провода первого радиочастотного несимметричного коаксиального кабеля питания 11. Эта экранная оболочка второго кабеля снизу электрически соединяется с конической частью 4 образованного конически - параболического эндовибратора возле вершины ее конуса. Центральный металлический провод второго кабеля питания 14 в трубчатой изолирующей диэлектрической оболочке 13 выходит через отверстие у вершины конуса и электрически соединяется с центром диска 9.
На фигуре 2 изображен в разрезе общий вид заявляемой металлической кольцевой щелевой антенны. Кольцевая щелевая антенна содержит большой конически - цилиндрический эндовибратор, заполненный сейсмостойким радиопрозрачным влагостойким высокочастотным диэлектриком, например: полимербетоном типа ФАЭД/4/, состоящий из конической части 1 и цилиндрической части 2, переходящей на ее конце в ортогонально расположенное к ней в горизонтальной плоскости большое круговое кольцо 3, малый конически - параболический эндовибратор, заполненный сейсмостойким радиопрозрачным влагостойким сверхвысокочастотным диэлектриком, например: стеклопенокерамикой типа ВКП-4 /4/, состоящий из конической части 4, первой нижней параболической части 5 и второй верхней параболической части 6, изгибаемых под требуемыми углами места, кольцевую излучающую щель 7, прямоугольный диск 8, верхняя поверхность которого находится в одной плоскости с границей раздела двух параболических частей 5 и 6, искривленный диск 9, края которого изогнуты в направлении верхнего края второй верхней параболической части 6 у поверхности антенны, четырехаксиальный кабель питания, включающий внешнюю первую диэлектрическую оболочку 10, первую экранную оболочку 11, присоединенную снизу у вершины конуса 1, вторую трубчатую диэлектрическую оболочку 12, выходящую через отверстие в вершине конуса 1 до конуса 4, вторую экранную оболочку 13, присоединенную снизу у вершины конуса 4, третью трубчатую диэлектрическую оболочку 14, выходящую через отверстие в вершине конуса 2, третью экранную оболочку 16, присоединенную снизу к прямоугольному диску 8, четвертую трубчатую диэлектрическую оболочку 16, доходящую до искривленного диска 9, центральный провод 17, присоединенный к искривленному диску 9.
1
2
Кольцевая щелевая антенна работает следующим образом. Четырехаксиальный кабель питания позволяет обеспечивать три самостоятельных одноаксиальных кабеля питания, при помощи не входящего в состав кольцевой щелевой антенны устройства выделения из многоаксиального кабеля трех его образующих одноаксиальных кабелей. Таким образом, после выполненного разделения первый одноаксильный кабель подключается к приемопередающей аппаратуре метрового диапазона радиоволн, второй - к приемопередающей аппаратуре дециметрового (сантиметрового) диапазона радиоволн, предназначенной для излучения антенны в направлении угла места Δ, третий - к приемопередающей аппаратуре дециметрового (сантиметрового) диапазона радиоволн, предназначенной для излучения антенны в направлении угла места Δ.
1
2
При подключении передатчиков высокочастотная энергия будет распространяться в метровую и дециметровую (сантиметровую) части антенны. Между экранной оболочкой 12 и экранной оболочкой 14 появится напряжение метрового диапазона радиоволн, создающее возбуждение этого диапазона, прикладываемое между двумя вершинами конусов 1 и 4 большого и малого эндовибраторов. Поскольку малый эндовибратор выполняет роль эквивалентного по емкости диска, то возникает электромагнитное излучение метрового диапазона радиоволн в полости между двумя эндовибраторами, как это происходит в дискоконусной антенне. Поскольку прямоугольный диск 8 вместе с малым конусом 4 выполняют роль первого рупорного высокочастотного облучателя нижней параболической части 5, то возбуждаемая им сферическая волна, отражаясь от параболической части 5, превращается в плоскую и возникает электромагнитное излучение дециметрового (сантиметрового) диапазона радиоволн под углом места Δ. Введенный дополнительный искривленный диск 9 совместно с прямоугольным диском 8 выполняют роль второго рупорного высокочастотного облучателя верхней параболической части 6, и возбуждаемая им сферическая волна, отражаясь от параболической вырезки 6, превращается в плоскую и возникает электромагнитное излучение дециметрового (сантиметрового) диапазона радиоволн под углом места Δ.
Проведенные расчеты подтвердили получение технического результата: расширение возможности обеспечения передачи информации в дециметровом (сантиметровом) диапазоне радиоволн за счет применения более эффективных конструкций специальных диско-конических антенн.
Так, в известной специальной диско-конической антенне /2, 3/, выполненной в виде ее первого типоразмера, рассчитанного для длинноволновой части метрового диапазона (диаметр 9,47 м, толщина 6,1 м), создана длинная парабола, разбиваемая на две составные части: верхнюю часть длиной 1,1 м и нижнюю часть длиной 2,2 м. Учитывая, что диаметры типовых широко распространенных спутниковых круглых тарелок имеют размеры 0,5 м и 1,0 м, длины парабол позволяют создать сверхвысокочастотные рупорно-параболические антенны внутри основной антенны с раскрывом парабол приблизительно равными 1,0 м и 2,0 м. При этом предполагается, что первая рупорно-параболическая антенна будет обеспечивать резервную связь в зенит с искусственным спутником Земли, находящимся на средневысотной орбите под углом места 25 градусов, а вторая рупорно-пароболическая антенна будет обеспечивать резервную связь в зенит с искусственным спутником Земли, находящимся на геостационарной орбите под углом 60 градусов. Планируемый международными соглашениями отведенный для таких объектов диапазон частот в этом случае: 4 ГГц - передача, 6 ГГц - прием для раскрыва первой параболы; 11ГГЦ - передача, 14 ГГц - прием для раскрыва второй параболы.
Для второго типоразмера специальной диско-конической антенны /2, 3/, рассчитанного на средневолновую часть метрового диапазона радиоволн (диаметр 4,7 м, толщина 3,0 м), создана длинная парабола, разбиваемая на две составные части: верхнюю часть длиной 0,56 м и нижнюю часть длиной 1,1 м. Учитывая, что диаметры спутниковых круглых тарелок имеют размеры 0,5 ми 1,0 м, длины парабол позволяют создать сверхвысокочастотные рупорно-параболические антенны внутри основной антенны с раскрывом парабол приблизительно равными 0,5 м и 1,0 м. При этом предполагается, что первая рупорно-параболическая антенна будет обеспечивать резервную связь в зенит с искусственным спутником Земли, находящимся на средневысотной орбите под углом места 25 градусов, вторая рупорно-параболическая антенна будет обеспечивать резервную связь в зенит с искусственным спутником Земли, находящимся на геостационарной орбите под углом 60 градусов. Планируемый международными соглашениями отведенный для таких объектов диапазон частот диапазон частот: 4 ГГц - передача, 6 ГГц - прием для раскрыва первой параболы; 11 ГГЦ - передача, 14 ГГц - прием для раскрыва второй параболы.
Для третьего типоразмера специальной дискоконической антенны /2, 3/, рассчитанного на коротковолновую край метрового диапазона радиоволн (диаметр 3,84 м, толщина 2,6 м), создана длинная парабола, разбиваемая на две составные части: верхнюю часть длиной 0,45 м и нижнюю часть длиной 0,9 м. Учитывая, что диаметры спутниковых круглых тарелок имеют размеры 0,5 ми 1,0 м, длины парабол позволяют создать сверхвысокочастотные рупорно-параболические антенны внутри основной антенны с раскрывом парабол приблизительно равными 0,5 м и 1,0 м. При этом предполагается, что первая рупорно-параболическая антенна будет обеспечивать резервную связь в зенит с искусственным спутником Земли, находящимся на средневысотной орбите под углом места 25 градусов, вторая рупорно-пароболическая антенна будет обеспечивать резервирующую связь в зенит с искусственным спутником Земли, находящимся на геостационарной орбите под углом 60 градусов. Планируемый международными соглашениями отведенный для таких объектов диапазон частот: 4 ГГц - передача, 6 ГГц - прием для раскрыва первой параболы; 11 ГГЦ - передача, 14 ГГц - прием для раскрыва второй параболы.
Проведенные исследования на макетах антенн доказали полученный технический результат: возможность физического размещения во всех частотных типоразмерах базовой специальной диско-конической антенны /5/ без изменения их геометрических наружных размеров не одной, а двух рупорно-параболических антенн с направленным излучением в зенит первой - под углом места 25 градусов на искусственный спутник Земли, находящийся на средневысотной орбите, второй - под углом 60 градусов на искусственный спутник Земли, находящийся на геостационарной орбите, обеспечивая резервирование передачи и приема информации по каналу связи метрового диапазона радиоволн.
Таким образом, разработана конструкция новой антенны, позволяющая наряду с имеющимся излучателем метрового диапазона радиоволн и резервирующего его излучателя дециметрового (сантиметрового) диапазона радиоволн, получить второй дополнительный излучатель дециметрового (сантиметрового) диапазона радиоволн при неизменяемых геометрических габаритных размерах антенны.
Технико-экономический эффект обусловлен перспективностью реализации заявляемой кольцевой щелевой антенны на стационарных объектах связи целевого назначения, в том числе в условиях экстремальных воздействий факторов внешней среды природного и технологического характера. Количественная величина технико-экономического эффекта от реализации предложенного устройства зависит от способов организации связи, электромагнитной обстановки и условий эксплуатации.
Источники информации
1. Артамошин А.Д., Горбаченко П.З., Кира В.Н., Лебедев И.Б., Медников Б.М., Николаев В.И., Фидельман В.Е. Кольцевая щелевая антенна. Патент Российской Федерации №2189675, 2002.
2. Антропов Д.А., Артамошин А.Д., Перфилов О.Ю., Фидельман В.Е. Кольцевая щелевая антенна. Патент Российской Федерации №2589774, 2016.
3. Антропов Д.А. Кольцевая щелевая антенна. Патент Российской Федерации №2654903, 2018.
4. Львов Е.В., Фидельман В.Е. Пластинчатые широкодиапазонные антенны у границы материальных сред. - Мытищи: 16 ЦНИИИ МО, 2008. - 403 с.
5. Фидельман В.Е. Антенны для «SATAN» и «STYLET». - Мытищи: 16 ЦНИИИ МО, 2008. - 100 с.