ЕМКОСТНАЯ АНТЕННА ДЛЯ ДВ И СВ ДИАПАЗОНОВ ЧАСТОТ И СПОСОБ ЕЕ ПЕРЕСТРОЙКИ
CAPACITIVE ANTENNA FOR LW AND MW RANGES AND METHOD FOR ADJUSTMENT THEREOF

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при создании приемо-передающих антенных устройств для корабельной аппаратуры радиосвязи в ДВ и СВ диапазонах частот.
В качестве прототипа выбрана емкостная антенна (Патент RU №2470424), выполненная в виде цилиндрической вертикальной конструкции. Такая антенна имеет узкую рабочую полосу частот (порядка 10-12 процентов в диапазоне УКВ и около 2-4 процентов в нижней части СВ диапазона) и при этом она не подлежит перестройке по частоте. Кроме того, в нижней части СВ диапазона частот вертикальный размер активной части цилиндрической емкостной антенны может достигать величин порядка 6-8 метров, не считая высоты подъема ее над палубой корабля. При массе в десятки килограммов такая конструкция оказывается сложной для установки и эксплуатации в корабельных условиях. Более того размещение цилиндрической емкостной антенны на стальной корабельной палубе приводит к существенному снижению ее коэффициента полезного действия (КПД) при излучении в ДВ и СВ диапазонах частот по причине замыкания значительной части токов смещения (см. фиг. 1) на металлическую проводящую заземленную поверхность палубы и снижения добротности антенного контура.
Целью изобретения является снижение общей высоты емкостной антенны, увеличение ее КПД при излучении над токопроводящей заземленной поверхностью, а также обеспечение возможности перестройки рабочей частоты емкостной антенны в ДВ и СВ диапазонах частот.
Технический результат достигается тем, что:
- с целью снижения общей высоты емкостной антенны и увеличения ее коэффициента полезного действия при излучении над токопроводящей заземленной поверхностью емкостной элемент выполняется в виде двух плоских токопроводящих пластин, одна из которых располагается горизонтально над плоскостью палубы корабля, а другая устанавливается выше и перпендикулярно к ней;
- с целью обеспечения возможности перестройки емкостной антенны по частоте вводится блок перестройки частоты особой конструкции.
На чертежах изображено:
Фиг. 1. - Распределение токов смещения в пространстве вокруг цилиндрической емкостной антенны (прототип), установленной над токопроводящей поверхностью, где цифрами обозначено: 1 - токопроводящие цилиндры емкостного элемента антенного контура; 2 - токи проводимости; 3 - токи смещения; 4 - токопроводящая поверхность (стальная палуба корабля).
Фиг. 2. - Емкостная антенна для ДВ и СВ диапазонов частот и способ ее перестройки, где цифрами обозначено: 1 - токопроводящие пластины емкостного элемента антенного контура; 2 - токи проводимости; 3 - токи смещения; 4 - блок перестройки частоты; 5 - устройство согласования.
Фиг. 3. - Блок перестройки частоты, где цифрами обозначено: 6 - диэлектрический цилиндр с винтовой канавкой; 7 - токопроводящий цилиндр с винтовой канавкой; 8 - медный провод (обмотка) катушки переменной индуктивности; 9 - вращающийся электрический соединитель; 10 - привод вращения.
Емкостная антенна для ДВ и СВ диапазонов частот состоит из развернутого в пространстве емкостного элемента, образованного двумя плоскими токопроводящими пластинами 1 (см. фиг. 2), например, из листовой меди. Одна из пластин располагается горизонтально непосредственно над палубой корабля, а другая устанавливается выше перпендикулярно к ней. Последовательно с емкостным элементом включен блок перестройки частоты 4, содержащий катушку переменной индуктивности, которая вместе с емкостным элементом образует перестраиваемый колебательный контур (антенный контур), настраиваемый на частоту излучаемого (принимаемого) электромагнитного сигнала. К антенному контуру с помощью устройства согласования 5 подключена фидерная линия, питающая антенну.
При излучении по фидерной линии, электрически согласованной с антенной, от передатчика подводится напряжение сигнала высокой частоты. На резонансе между развернутыми в пространстве пластинами емкостного элемента возникает переменное напряжение высокой частоты, в Q раз превышающее по величине входное напряжение (Q - добротность антенного контура). Высокочастотное электрическое поле, действующее между пластинами, индуцирует в окружающем пространстве токи смещения (Эйхенвальд А.А. «Электричество», изд. 5-е, М.-Л.: Государственное издательство, 1928, первое уравнение Максвелла), благодаря которым и возникает высокочастотное электромагнитное излучение (электромагнитная волна).
В корабельных условиях для достижения высокого КПД в ДВ и СВ диапазонах частот цилиндрическая емкостная антенна, описанная в прототипе, должна быть поднята на значительную высоту над токопроводящей подстилающей поверхностью. В противном случае значительная часть токов смещения будет замыкаться на стальную заземленную палубу корабля (фиг. 1). Это приведет к ухудшению добротности антенного контура и снижению КПД антенны при излучении.
Предлагаемая конфигурация емкостной антенны (фиг. 2) позволяет значительно уменьшить долю токов смещения, замыкающихся на токопроводящую подстилающую заземленную поверхность, а также существенно снизить общую высоту антенны при сохранении ее КПД в излучении.
Для перестройки емкостной антенны по частоте необходимо изменять в широких пределах индуктивность антенного контура. В теории и на практике хорошо известны такие способы изменения индуктивности, как, например, применение ферромагнитного сердечника, применение коммутирующего устройства для изменения числа витков в катушке индуктивности, а также путем изменения взаимного положения последовательно соединенных индуктивностей (вариометры).
В емкостной антенне применение ферромагнитного сердечника для изменения индуктивности катушки не решает стоящей задачи поскольку, во-первых, не позволяет изменять индуктивность в необходимых пределах, а во-вторых, приводит к большим потерям в сердечнике на высокой частоте в режиме излучения.
Изменение индуктивности катушки путем коммутации ее витков, включаемых в цепь контура, совершенно не приемлемо, поскольку исключенные из антенного контура витки остаются связанными с основной катушкой через общее магнитное поле. Это приводит к искажению частотной характеристики, расстройке антенны и дополнительным потерям при излучении.
Применение дискретного набора катушек с разными величинами индуктивности не позволяет обеспечить плавную перестройку по частоте.
Реализовать плавную перестройку рабочей (резонансной) частоты емкостной антенны без ухудшения ее КПД при излучении возможно путем применения блока перестройки частоты (см. фиг. 3), состоящего из двух вращающихся цилиндров (6, 7) и привода вращения (10). Один из цилиндров (6) - диэлектрический, на который намотана в один ряд катушка индуктивности антенного контура. Другой цилиндр (7) - токопроводящий с малым поверхностным электрическим сопротивлением, например, медный или бронзовый.
Обмотка (8) катушки индуктивности, выполненная медным оголенным многожильным проводом, например, марки МГ повышенной гибкости, укладывается в винтовую канавку на поверхности обоих цилиндров, которая обеспечивает точное позиционирование и фиксацию витков катушки индуктивности при перемотке провода с одного цилиндра на другой.
В процессе перестройки рабочей частоты антенны происходит синхронное вращение обоих цилиндров, при котором медный провод перематывается с диэлектрического цилиндра на токопроводящий, и наоборот. При этом в катушке индуктивности уменьшается (увеличивается) число витков, и резонансная (рабочая) частота антенного контура возрастает (уменьшается). Витки провода, который перематывается на токопроводящий цилиндр, электрически закорачиваются через его поверхность, имеющую малое электрическое сопротивление. Это позволяет исключать их из электрической цепи контура и избегать условий возникновения паразитных явлений и потерь.
Электрическое подключение катушки индуктивности, выполненной на вращающихся цилиндрах, может быть обеспечено с помощью вращающегося электрического соединителя (9), например, производства фирмы MERCOTAC.