Перестраиваемая антенна НЧ, СВ, ВЧ диапазонов
TUNABLE ANTENNA OF LF, MR, HF BANDS

Изобретение относится к области радиотехники, а именно - к антенной технике, и может быть использовано в качестве антенны, поднимаемой летательным аппаратом, для работы в диапазонах длин радиоволн низких частот (НЧ), средних частот (СЧ) и высоких частот (ВЧ). Наиболее эффективно данная антенна может быть использована в радиопередающих нестационарных радиоцентрах с изменяемой дислокацией их на местности (мобильных для оперативной организации радиопередающих центров и перебазируемых радиопередатчиков, связанных с излучением электромагнитных волн, научных лабораторий).
Наиболее широкое распространение для подъема антенн, преимущественно для использования в качестве радиопередающих в НЧ и СЧ диапазонах длин радиоволн, получили летательные аппараты легче воздуха в виде привязных аэростатов (патент RU №2722087 от 26.05.2020 Бюл. №15). Известная аэростатная система для подъема антенного устройства с большой подъемной силой обладает значительной парусностью и только для обеспечения аэродинамики, защиты от воздействия метеорологических условий и грозозащиты его несущая конструкция выполнена из комбинации верхнего токопроводящего и нижнего диэлектрического полотен, натянутых на каркас, набора токопроводящих медных тросовых лееров, стяжек и штанг с катенарными поясами и привязных кефларовых строп, которые делают необходимым применения кабель-троса для грузонесущей части из высокопрочного каната, с использованием оплетки кабель-троса из медной проволоки в качестве излучающего элемента монопольной антенны.
Недостатком известной антенной системы с привязным аэростатом полужесткой конструкции является громоздкость и конструктивная сложность подъемного устройства, неудобства транспортирования, длительное время развертывания и приведения в исходное состояние.
Известна аэростатная антенна зонтичного типа, включающая аэростат с оболочкой сферической формы (патент RU №2340986 от 10.12.2008 Бюл. №34) Аэростат имеет пропущенную через верхний и нижний полюсы оболочки вертикальную штангу, на вершине которой с помощью строп закреплено флюгирующее аэродинамическое объемное тело, емкостную нагрузку зонтичного типа, выполненную в виде радиально расходящихся проводников, размещенных на поверхности аэродинамического объемного тела, лебедку и привязные тросы, один из которых с токопроводящей оплеткой (кабель-трос), а также противовес в виде расположенных на поверхности земли проводников.
Недостатками известной аэростатной антенны зонтичного типа являются сложность и утяжеление за счет флюгирующего аэродинамического объемного тела с емкостной нагрузкой, не позволяющих использования антенной системы с малообъемными подъемными устройствами. И, кроме того, обе известные конструкции недостаточно ветроустойчивы.
Известна также аэростатная антенна НЧ диапазона (патент RU №119942 от 27.08.2012 Бюл. №24) Антенна-прототип включает поддерживаемый в вертикальном положении малообъемным аэростатом кабель-трос, содержащий грузонесущий трос из синтетических нитей, покрытый токопроводящим слоем, диэлектрической защитной оболочкой и оплеткой из синтетических нитей, противовес в виде нескольких проводников, расположенных на поверхности земли, с точкой противовеса, которая является одним электродом вывода антенны, а нижний конец кабеля-троса является другим электродом вывода антенны, подключаемым к радиопередающему устройству.
Недостатками известной антенны являются низкая стабилизация местоположения аэростата при воздействии ветра и отсутствие адаптации к изменению его направления при обеспечении положения только одним кабель-тросом, узкая полоса частот из-за использования однопроводного вибратора и невозможность оперативной корректировки настройки при смене частот при заданной с развертыванием длине кабель-троса.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания перестраиваемой антенны, предназначенной преимущественно для работы в диапазонах длин радиоволн низких частот (НЧ), средних частот (СЧ) и высоких частот (ВЧ), с расширенной полосой рабочих частот и возможностями оперативной перестройки с точной настройкой, установленной на базе конструкции устойчивого к ветровой нагрузке подъемного устройства.
Поставленная задача достигается тем, что перестраиваемая антенна НЧ, СЧ, ВЧ диапазонов, включает поддерживаемый летательным аппаратом кабель-трос, с поверхностным проводящим слоем на всей его протяженности, проводниковый противовес, одна из точек проводников которого является первым электродом вывода антенны, а нижний конец кабель-троса является вторым электродом вывода антенны. При этом поддерживающим летательным аппаратом служит мультикоптер, кабель-трос выполнен из гибкого проводящего антенного канатика и пропущен через проводящий канифас-блок, закрепленный к изолирующему устройству мультикоптера, причем удлинение пропущенного кабель-троса опущено, с формированием проводящим антенным канатиком антенного полотна в виде равнобедренного треугольника, и пропущено через проводящий канифас-блок, имеющий точку контакта с проводником противовеса, от которого кабель-трос подан на барабан лебедки, с возможностью регулировки и фиксации выпущенной длины кабель-троса, при этом точки контакта противовеса с проводящим канифас-блоком и первого электрода антенны разнесены в виде основания треугольника.
раб.
раб.
Задача решается тем, что установочная длина кабель-троса от второго электрода с удлинением, пропущенного через проводящий канифас-блок, закрепленный к изолирующему устройству мультикоптера, до проводящего канифас-блока составляет 0,5λ, а протяженность разноса от точки противовеса первого электрода вывода антенны до точки контакта противовеса с проводящим канифас-блоком, соизмерима с 0,05λ.
Другое отличие заявляемой антенны состоит в том, что она дополнительно содержит измеритель коэффициента согласования антенны, с возможностью подключения к электродам вывода антенны при настройке антенны на рабочую частоту путем коррекции установочной длины кабель-троса из условия оптимального коэффициента стоячей волны.
Решение поставленной задачи может осуществляться, когда поддерживающим летательным аппаратом служит привязной мультикоптер, кабель питания к которому подводится по линии от центра разноса.
Решение поставленной задачи может осуществляться, когда поддерживающим летательным аппаратом служит привязной мультикоптер, кабель питания к которому подводится по линии ребра треугольной пирамиды, расположенного против треугольного полотна из антенного канатика.
Отличие заявляемой антенны состоит и в том, что она может быть снабжена дополнительной емкостной нагрузкой зонтичного типа, конструктивно выполненной в виде двух и более электрических проводников, каждый из которых верхним концом прикреплен к проводящему канифас-блоку, закрепленному к изолирующему устройству мультикоптера, а нижним, через дополнительный изолятор, соединен с диэлектрической регулируемой длины растяжкой, заякоренной к земле.
Изобретение поясняется чертежами
Фиг. 1 - эскиз прототипа с электронной моделью и графической характеристикой КСВ в полосе рабочих частот, где 1 - летательный аппарат, 2 - кабель-трос, 3 - проводниковый противовес, 4 - первый электрод выхода антенны, 5 - второй электрод выхода антенны;
Фиг. 2 - эскиз перестраиваемой антенны с электронной моделью и графической характеристикой КСВ в полосе рабочих частот, где 1 - мультикоптер, 2 - кабель-трос, 3 - проводниковый противовес, 4 - первым электрод выхода антенны, 5 - второй электрод выхода антенны, 6 - проводящий канифас-блок, 7 - изолирующее устройство, 8 - удлинение пропущенного кабель-троса, 9 - проводящий канифас-блок, 10 - проводник противовеса, 11 - барабан лебедки, 12 - основание треугольника, 13 - измеритель коэффициента согласования антенны, 14 - кабель питания;
Фиг. 3 - эскиз перестраиваемой антенны с электронной моделью и графической характеристикой КСВ в полосе рабочих частот с привязным мультикоптером и дополнением, где 15 - кабель питания на линии ребра треугольной пирамиды;
Фиг. 4 - эскиз перестраиваемой антенны с электронной моделью и емкостной настройкой, с графической характеристикой КСВ в полосе рабочих частот с привязным мультикоптером и дополнением отображения емкостной нагрузки, где 16 электрические проводники нагрузки, 17 - изолятор, 18 растяжка.
Предлагаемая перестраиваемая антенна НЧ, СЧ, ВЧ диапазонов содержит поддерживаемый летательным аппаратом 1 кабель-трос 2, с поверхностным проводящим слоем на всей его протяженности, проводниковый противовес 3, одна из точек проводников которого является первым электродом 4 вывода антенны, а нижний конец кабель-троса является вторым электродом 5 вывода антенны. При этом поддерживающим летательным аппаратом 1 служит мультикоптер, кабель-трос 2 выполнен из гибкого проводящего антенного канатика и пропущен через проводящий канифас-блок 6, закрепленный к изолирующему устройству 7 мультикоптера 1, причем удлинение 8 пропущенного кабель-троса 2 опущено, с формированием проводящим антенным канатиком антенного полотна в виде равнобедренного треугольника, и пропущено далее через проводящий канифас-блок 9, имеющий точку контакта с проводником противовеса 10, от которого кабель-трос подан на барабан лебедки 11, с возможностью фиксации выпущенной длины кабель-троса, при этом точки контакта противовеса с проводящим канифас-блоком 9 и первого электрода 4 антенны разнесены в виде основания треугольника 12.
раб.
раб
В предлагаемой антенне установочная длина кабель-троса 2 от первого электрода 4 до проводящего канифас-блока 6 с удлинением 8 составляет 0,5λ, а протяженность разноса 12 от точки противовеса первого электрода 4 вывода антенны доточки контакта противовеса 10 с проводящим канифас-блоком 9, соизмерима с 0,05λ.
Работа антенны обеспечивается измерителем коэффициента согласования антенны 13, с возможностью подключения к электродам вывода антенны 4 и 8 при настройке антенны на рабочую частоту, путем коррекции установочной длины кабель-троса 2 от первого электрода 4 до проводящего канифас-блока 6 с удлинением 8 до проводящего канифас-блока 9, из условия оптимального коэффициента стоячей волны.
Поддерживающим летательным аппаратом может служить привязной мультикоптер 1, кабель питания 14 к которому подводится по линии от центра разноса 12.
Поддерживающим летательным аппаратом может служить привязной мультикоптер 1, кабель питания к которому может подводиться по линии ребра 15 треугольной пирамиды, расположенного против треугольного полотна антенны из антенного канатика.
Предлагаемая антенна может быть снабжена дополнительной емкостной нагрузкой зонтичного типа, конструктивно выполненной в виде двух и более электрических проводников 16, каждый из которых верхним концом прикреплен к проводящему канифас-блоку 6, закрепленному к изолирующему устройству 7 мультикоптера 1, а нижним, через дополнительный изолятор 17, соединен с диэлектрической регулируемой длины растяжкой 18, заякореннойк земле.
раб.
раб.
Принцип работы заявляемой антенны кардинально отличается от известных монопольных антенн, применяемых в рассматриваемых диапазонах частот и состоит в том, что вместо стержневого проводника 2 (Фиг. 1), с классической длиной 0,25λ, применяется с такой же протяженностью боковых сторон 2 и 8 (Фиг. 2), остроугольная при вершине, поддерживающей летательным аппаратом 1, мультикоптером, треугольная петля из антенного канатика с разносом по основанию 12 соизмеримым с 0,05λ, при подключении радиопередатчика в разрез 4-5 одной из сторон 2 или 8, при угле у основания 12. Переход от кабель-троса с грузонесущей частью из высокопрочного каната, с использованием оплетки кабель-троса из медной проволоки в качестве излучающего элемента к широко используемому проводящему антенному канатику связан со снятием нагрузок на удержание в экстремальных условиях аэростатных систем. Соотношения сторон и форма петли, из-за малой протяженности основания, исключают ее работу, как треугольной рамочной антенны, приближая к принципу работы плеча шлейф-вибратора Пистолькорса, с близко расположенными параллельными проводниками, широко применяемого полноразмерным в ультракоротковолновом диапазоне радиочастот, работа которого подтверждается компьютерным моделированием в программе MMANA-GAL из анализа данных фигур 1-4. С учетом того, чтобы обеспечить длительность использования развернутой антенны вне зависимости от емкости заряда аккумуляторов мультикоптера, получают развитие привязные мультикоптеры, с подачей электропитания с земли по кабалю, учтено в показанной версии предлагаемой антенны размещением кабеля питания 14 по линии высоты равнобедренного треугольника (Фиг. 2). При сравнении с прототипом, вертикальным кабель-тросом 2, имеющим при настройке на 495 кГц полосу пропускания равную, 2,2 кГц при КСВ менее 1,5 (Фиг. 1), предлагаемая перестраиваемая антенна на меньшей частоте соизмеримого диапазона 470 кГц имеет полосу пропускания 28,7 кГц, что выгодно отличает ее от прототипа и подобных аналогов.
В свою очередь, настройка антенны при поддержке мультикоптером 1, из-за изолирующего устройства 7, не имеющим контакта с проводниковым антенным канатиком сторон 2 и 8, вложенным в проводниковый канифас-блок 6 и опущенный к имеющему контакт с проводником 10 противовеса проводниковый канифас-блок 9, через него с помощью намотки или размотки на барабане лебедки 11, регулируется притягивание или отпускание с подъемом мультикоптера 1, то есть регулировка суммарной длины сторон 2 и 8.
Дополнительно к этому антенна содержит измеритель 13 коэффициента согласования антенны, с возможностью подключения к электродам вывода антенны 4 и 5 при настройке антенны на рабочую частоту, по которому отслеживается настройка антенны и при минимальном КСВ барабан лебедки 11 фиксируется, обеспечивая работу антенного устройства на заданной частоте
В целях варьирования особенностями назначения предлагаемой антенны, для повышения помехоустойчивости радиосистем за счет сужения полосы частот, в версии пирамидальной конструкции антенны (Фиг. 3) кабель питания подводится по линии ребра 15 треугольной пирамиды, расположенного против треугольного полотна антенны из антенного канатика. Введение такого переизлучателя обеспечивает сужение полосы на рабочей частоте 470 кГц до 2, 2 кГц при КСВ менее 1,5.
В свою очередь при снабжении пирамидальной конструкции дополнительной емкостной нагрузкой зонтичного типа (Фиг. 4), в версии конструктивно выполненной в виде трех электрических проводников 16, каждый из которых верхним концом прикреплен к проводящему канифас-блоку 6, закрепленному к изолирующему устройству 7 мультикоптера 1, а нижним, через дополнительный изолятор 17, соединен с диэлектрической регулируемой длины растяжкой 18, заякоренной к земле высота подвеса антенны уменьшается со 150 метров до 100 метров, что также выгодно отличает заявленную антенну от аналогов.
Эффективность работы антенного устройства подтверждают результаты компьютерного моделирования в программе MMANA-GAL по возможностям расширенной регулируемой полосы рабочих частот при оперативной перестройке с точной настройкой, установленной на базе конструкции устойчивого к ветровой нагрузке подъемного устройства. Предложенное техническое решение на более высоком уровне обеспечивает классическое укорочение путем введения емкостной нагрузки. Компактность поддерживающего летательного аппарата в виде мультикоптера, предназначенного только для обеспечения нагрузки в виде антенного полотна и малый его вес расширяют возможности по использованию предложенной антенны в мобильных версиях. Нестандартная реконструкция петли Пистолькорса, улучшающая электрические характеристики антенн при применении в НЧ, СЧ, ВЧ диапазонах открывает новые возможности по совершенствованию радиотехнических систем, использующих эти частоты.
Из показанного на фигурах 1-4 и описанных некоторых фрагментах осуществления технических решений, специалистам в данной области техники понятно, что возможны другие измененные версии осуществления без отхода от принципов и сущности настоящего изобретения, объем которого определен в формуле изобретения.
Из раскрытого в содержании, новизна в части устройства по предложенному техническому решению перестраиваемой антенны НЧ, СЧ, ВЧ диапазонов усматривается в сочетании отличительных признаков и свойств как в заявленном изобретении из технической, научной литературы и патентной документации не выявлено, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.