ДВУХМОДОВАЯ БЫСТРОРАЗВОРАЧИВАЕМАЯ НИЗКОЧАСТОТНАЯ АНТЕННА
TWO-MODE QUICKLY UNFOLDED LOW-FREQUENCY ANTENNA

Изобретение относится к электрорадиотехнике, а именно к антенной технике, в частности заявленная двухмодовая быстроразворачиваемая низкочастотная антенна (НЧА) с использованием летательных аппаратов (ЛА) предназначена для работы совместно с низкочастотным (НЧ) или сверхнизкочастотным (СНЧ) радиопередатчиком (РПРД) средней и большой (свыше 5 кВт) мощности в двухмодовом режиме: режиме пространственных волн с максимумом излучения под углами, примыкающими к зениту; режиме поверхностных волн с максимумом излучения вдоль поверхности земли.
Известна быстроразворачиваемая НЧА, устанавливаемая на ЛА, по патенту US №3806944, 1974. Известный аналог состоит из выпускного троса, в исходном состоянии намотанном на барабане, размещенном на борту ЛА. Один конец троса подключен к несимметричному выходу бортового РПРД, а к второму концу троса подсоединен вытяжной конус. Роль противовеса выполняет корпус ЛА. В рабочем режиме трос выпускают из корпуса ЛА на длину в несколько километров.
Недостатком известной НЧА является ее низкий КПД из-за больших тепловых потерь, обусловленных существованием связанного реактивного поля. Кроме того, известная НЧА подвержена высоким динамическим нагрузкам при полете ЛА, что повышает вероятность ее механического разрыва.
Известна также НЧА по патенту US №3680192, 1972, состоящая из мачты, которая в исходном состоянии установлена горизонтально на поверхности земли. К изолированному от подстилающей поверхности основанию мачты в рабочем состоянии подключают выход НЧ РПРД. Для приведения антенны в рабочее (вертикальное) положение к вершине мачты закрепляют трос и с помощью ЛА (вертолета) переводят ее в вертикальное положение.
Недостатком данного аналога является ее ограниченное применение, связанное с тем, что при неблагоприятных метеоусловиях (ветер, туман, осадки, обледенение и т.п.) установка мачты в вертикальное положение затруднена или вообще невозможна. Кроме того, антенна обладает низким КПД из-за больших потерь в полупроводящей подстилающей поверхности.
Известна также аэростатная антенна зонтичного типа по патенту RU №2340986, 2007. Аналог включает аэростат с оболочкой сферической формы, установленную через его ось штангу, с закрепленным на ней флюгирующим элементом, лебедку с привязанными тросами, емкостную нагрузку зонтичного типа на флюгирующем элементе. Один из таких тросов выполнен токопроводящим.
Аэростат удерживает три троса, нижние концы которых территориально разнесены и закреплены на подстилающей поверхности.
Недостатком данной антенны является сложность конструкции, большая площадь, необходимая для развертывания антенны, и низкий КПД.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей технической сущности к заявленной НЧА является известная «Сверхнизкочастотная (СНЧ) вертикальная вибраторная антенна», подвешиваемая к дирижаблю, по патенту US №4051479, МПК H01Q, опубл. 1977.
Ближайший аналог состоит из антенного полотна (АП) в виде вертикального вибратора, летательного аппарата легче воздуха (ЛАЛВ) (дирижабль или воздушный шар), заполненного газом (например, гелием) с помощью компрессора. Верхний конец вибратора закреплен на ЛА, а нижний через цепь распределенной емкости подключен к выходу РПРД.
Недостатком указанного прототипа является низкий КПД, что обусловлено высокими тепловыми потерями в полупроводящей подстилающей поверхности (ППП).
Целью изобретения является разработка двухмодовой быстроразворачиваемой низкочастотной антенны, обеспечивающей двухмодовый режим работы (пространственными и поверхностными волнами) и повышение КПД за счет снижения тепловых потерь в ППП.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной НЧ антенне, содержащей АП, установленное над ППП с помощью ЛАЛВ и подключенное к выходу НЧ РПРД, размещенного на ППП, и компрессор для закачки газа в ЛАЛВ, дополнительно введены N≥2 удерживающих контейнеров (УК) с компрессорами для закачки в ЛАЛВ газа. УК размещены с интервалом d друг от друга на ППП. АП в виде симметричного вибратора (СВ) с длиной L каждого плеча установлено горизонтально над ППП. N ЛАЛВ закреплены с интервалом d друг от друга на АП и удерживаются диэлектрическими фалами (ДФ), соединенными с соответствующими УК на высоте Н. Плечи СВ подключены к двухпроводному фидеру (ДПФ), а нижний конец ДПФ через коммутатор режимов излучения (КРИ) подключен к выходу РПРД: в режиме излучения пространственных волн (первая мода) - к симметричному выходу, а в режиме поверхностных волн (вторая мода) - к несимметричному выходу РПРД. Дополнительно введен блок развертывания (БР) ДПФ с компрессором для закачки газа в ЛАЛВ, который размещен на ППП.
Плечи СВ, образующие АП, выполнены из одиночного проводника или из К≥2 проводников, установленных параллельно с разносом Δ в вертикальной плоскости и дополнительными отрезками проводников, электрически соединеных между собой.
Каждое плечо СВ состоит из последовательно соединенных отрезков проводников длиной d.
УК состоит из корпуса с откидной крышкой, в котором размещена в свернутом виде оболочка ЛАЛВ. В отверстии наддува оболочки ЛАЛВ закреплен переходник, снабженный ниппелем для подключения компрессора. К нижней части переходника жестко закреплен токопроводящий элемент, концы которого соединены с примыкающими к УК с двух сторон отрезками проводников длиной d, образующих плечи СВ. В УК установлен реверсивный электродвигатель, на валу которого закреплена катушка с намотанным на ней ДФ. Конец ДФ скреплен с нижней частью переходника. Корпус УК снабжен анкерами для его закрепления в ППП.
БР ДПФ состоит из корпуса с откидной крышкой. В БР ДПФ помещена в свернутом виде оболочка ЛАЛВ. В отверстии наддува оболочки ЛАЛВ закреплен переходник, снабженный ниппелем для подключения компрессора. К нижней части переходника жестко закреплен диэлектрический элемент с металлизированными законцовками, к которым подключены проводники ДПФ и примыкающие с двух сторон к БР ДПФ отрезки проводников длиной d, образующие плечи СВ. В БР ДПФ установлен реверсивный электродвигатель, на валу которого закреплена катушка с намотанными на ней ДПФ и ДФ. Конец ДФ скреплен с нижней частью переходника. ДПФ намотана на катушку с возможностью подключения его проводников к выходу НЧ РПРД. Корпус БР ДПФ снабжен анкерами для его закрепления в ППП.
Благодаря новой совокупности существенных признаков обеспечивается формирование и быстрое развертывание НЧА, а за счет горизонтальной установки АП существенно снижаются тепловые потери в ППП и, следовательно, повышается КПД устройства в обоих режимах излучения.
Возможность изменения режима излучения (моды) обеспечивает оптимальную ориентацию максимума диаграммы направленности, что также повышает эффективность канала радиосвязи с использованием заявленной НЧА.
Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показано:
на фиг. 1 - общий вид НЧА в рабочем состоянии и АП из одиночного провода;
на фиг. 2 - общий вид НЧА в рабочем положении и АП из нескольких проводов;
на фиг. 3 - конструкция удерживающего контейнера в исходном состоянии;
на фиг. 4 - конструкция блока развертывания ДПФ в исходном состоянии;
на фиг. 5 - схема коммутатора режимов излучения;
на фиг. 6 - формы диаграммы направленности в режиме пространственных и поверхностных волн;
на фиг. 7 - эквивалентные электрические схемы антенны в различных режимах излучения;
на фиг. 8 - рисунок, поясняющий процесс развертывания НЧА.
Двухмодовая быстроразворачиваемая низкочастотная антенна, показанная на фиг.1, 2 в развернутом виде, состоит из АП в виде СВ. Каждое плечо длиной L СВ выполнено из последовательно соединенных между собой отрезков 1 проводника. Примыкающие друг к другу концы плеч СВ подключены к соответствующим проводникам (точки а-а') ДПФ 5. Верхние концы проводников ДПФ 5 разделены диэлектрическим элементом 14 с металлизированными наконечниками (см. также фиг. 4).
СВ установлен горизонтально на высоте Н от ППП 12. На проводах плеч СВ с интервалом d закреплены ЛАЛВ 2. В качестве ЛАЛВ 2 могут быть использованы аэростат, дирижабль, зонд и т.п. ЛАЛВ 2 удерживаются на высоте Н с помощью ДФ 3, нижние концы которых закреплены в соответствующих УК 4.
УК 4 установлены вдоль прямой на ППП 12 с интервалом d и выполнены с возможностью их подключения к компрессору 11. Провода ДПФ 5 снабжены диэлектрическими вставками 8, исключающими возможность замыкания проводов 5 ДПФ между собой. Для удержания ДПФ 5 на высоте Н к нему подсоединен ЛАЛВ 6 (точка б). Для снижения механической нагрузки на провода 5 ДПФ к ЛАЛВ 6 подсоединен ДФ 7, нижний конец которого закреплен в БР ДПФ 9, установленном на ППП 12. БР ДПФ 9 выполнен с возможностью подключения к нему компрессора 13, также установленного на ППП12.
Нижние концы ДПФ 9 через БР ДПФ 5 подключены к выходу КРИ 15, выходы «мода-1» и «мода-2» которого подключены соответственно к симметричному 10.1 и несимметричному 10.2 выходам НЧ РПРД 10.
На фиг. 2 показан вариант исполнения АП в виде СВ, каждое плечо которого выполнено из К≥2 параллельных проводников 1, установленных с разносом Δ по высоте в вертикальной плоскости. Проводники 1 электрически соединены друг с другом дополнительными вертикальными проводниками 16. Такое исполнение АП расширяет диапазон рабочих частот антенны по согласованию за счет снижения волнового сопротивления плеч СВ, что снижает уровень концентрации связанного с антенной реактивного поля и, следовательно, повышает КПД.
Удерживающий контейнер (УК) 4 с компрессором 11 предназначен для укладки в нем конструктивных элементов НЧА в нерабочем (свернутом) состоянии, закачки газа в ЛАЛВ 2 при подготовке НЧА к развертыванию и приведению НЧА в рабочее положение, удержания АП в рабочем положении и свертывания НЧА. Вариант УК 4, показанный на фиг. 3, состоит из корпуса 4.1 с откидной верхней крышкой (на фиг. 3 не показана). Для закрепления УК 4 на ППП12 он снабжен анкерами 4.6.
В исходном положении (нерабочем) в корпусе 4.1 размещена в свернутом виде оболочка 4.2 ЛАЛВ 4. В отверстии наддува оболочки 4.2 закреплен переходник 4.3, снабженный ниппелем 4.4 для подключения компрессора 11. К нижней части переходника 4.3 жестко закреплен токонесущий элемент (ТНЭ) 4.5. Концы ТНЭ 4.5 соединены с отрезками проводников 1 АП, примыкающими с двух сторон к УК 4 (точки с-с'). В корпусе 4.1 также установлен реверсивный электродвигатель 4.7, на валу 4.8 которого закреплена катушка 4.9 с намотанным на нее ДФ 3. Верхний конец ДФ 3 закреплен (точка «в») на нижней части переходника 4.3. Нижний конец ДФ 3 закреплен на катушке 4.9. В боковых стенках корпуса 4.1 УК 4 вырезаны открытые пазы 4.10 для укладки в них токонесущего элемента 4.5 (см. также фиг. 8).
2
ДФ 3 могут быть выполнены из стеклопластиковых, кевларовых, углеродных или полиэтиленовых волокон, которые при малой массе обладают высоким пределом прочности на разрыв. Например, кевларовая нить имеет предел прочности на разрыв 350 кг/мм, что в 3-4 раза превышает показатель стали при одновременном 6-8-кратном уменьшении массы кевларовой нити на единицу длины (http://zero-100/ru/yandex/kompozitnye_materialy_svojstva_i_cenylo-287). Провода ДПФ 5 и отрезки проводников 1 АП выполнены из медного антенного канатика диаметром 4 мм.
Блок развертывания ДПФ 9 с компрессором 13 предназначен для укладки в нем конструктивных элементов НЧА в нерабочем (свернутом) состоянии, закачки газа в ЛАЛВ 6 при подготовке НЧА к развертыванию, приведения ДПФ 5 в рабочее положение, удержания совместно с другими ЛАЛВ 1 ДПФ 5 и АП в рабочем положении и свертывания НЧА.
Вариант БР ДПФ 9, показанный на фиг. 4, состоит из корпуса 9.1 с откидной крышкой (на фиг. 4 не показана).
Для закрепления БР ДПФ 9 на ППП 12 он снабжен анкерами 9.6. В исходном положении (нерабочем) в корпусе 9.1 размещена в свернутом виде оболочка 9.2 ЛАЛВ 6. В отверстии наддува оболочки 9.2 закреплен переходник 9.3, снабженный ниппелем 9.4 для подключения компрессора 11. К нижней части переходника 9.3 жестко закреплен диэлектрический элемент 14, включающий диэлектрическую часть 9.5 с металлизированными законцовками (МЗК) 9.6. К МЗК 9.6 подключены соответствующие проводники 9.7 и 9.8 ДПФ 5 (точки n-n') и примыкающие с двух сторон проводники 1 плеч СВ (точки с-с'). К нижней части переходника 9.3 закреплен (точка «в») верхний конец ДФ 7, нижний конец которого закреплен в катушке 9.9.
В корпусе 9.1 также установлен реверсивный электродвигатель 9.10, на валу 9.11 которого закреплена катушка 9.9 с намотанными на ней ДПФ 5 и ДФ 7. ДПФ 5 намотан на катушку 9.9 с возможностью подключения нижних концов проводов 9.7 и 9.8 ДПФ 5 к выходу КРИ 15. В боковых стенках корпуса 9.1 БР ДПФ 9 вырезаны открытые пазы 9.12 для укладки в них диэлектрической части 9.5 элемента 14 с маталлизированными законцовками 9.6.
р
р
Заявленная НЧА работает следующим образом. Предварительно с учетом длины рабочей волны λ РПРД 10 и минимально допустимого качества согласования (КБВ) НЧА с выходом РПРД 10 определяют необходимую длину L плеч СВ. Например, при λ=10000 м и КБВ≥0.1, L=1000 м. Затем на ППП12 вдоль прямой протяженностью 2 км устанавливают с интервалом d и закрепляют на ППП 12 УК 4 с компрессорами 11. В центре прямой на ППП 12 устанавливают БР ДПФ 9. Для приведения НЧА в рабочее положение откидывают крышки всех УК 4 и БР ДПФ 9. Подключают к токопроводящим элементам 4.5 УК 4 и к металлизированным законцовкам 9.6 БР ДПФ 5 отрезки проводников 1, образующих плечи СВ. Длину d отрезков 1 проводников выбирают с учетом подъемной силы используемых ЛАЛВ 2 и их количества N в пределах d=2L/N=50-100 м. Например при L=1000 м и N=20, d=100 м. Затем подключают к переходникам 4.3 и 9.3 компрессоры 11, 13 и производят накачку оболочек 4.2 и 9.2 газом (например, гелием).
При этом через открытые пазы 4.10 и 9.12 (см. также фиг. 8), вырезанные в боковых стенках корпуса соответственно 4.1 УК 4 и БР ДПФ 9 свободно выходят токонесущие элементы 4.5 из корпуса 4.1 УК 4 и диэлектрический элемент 9.5 из корпуса 9.1 БР ДПФ 9.
p
p
После заполнения оболочек компрессоры 11 отключают от всех УК 4 и БР ДПФ 9, после чего включают электродвигатели 4.9 в УК 4 и 9.10 в БР ДПФ 9, которые вращают катушки в направлении сматывания ДФ 3, 7 и ДПФ 5. При достижении заданной высоты Н питание электродвигателей 9.10 и 4.7 отключают. Высоту Н выбирают возможно ближе к значению 0.1 λ, исходя из экономической целесообразности и допустимого усложнения конструкции. Например, при λ=10000 м приемлемое значение Н=500-700 м. Выбирают режим излучения: пространственной ЭВМ (мода 1) или поверхность ЭМВ (мода 2), путем коммутации проводников ДПФ 5 в КРИ 15(фиг. 5).
см
пр
пр
При положении переключателя в позиции 15.1-15.1' в КРИ 15 обеспечивается режим работы пространственными волнами, при котором максимум диаграммы направленности (ДН) ориентирован под углами, примыкающими к зениту (фиг. 6а), а электрическая схема антенны представляет собой горизонтальный СВ (фиг. 7а). В этом режиме ток смещения I замыкается большей частью в воздушной диэлектрической среде. Ток проводимости I в ППП существенно снижается, что увеличивает КПД антенны. При положении переключателя в позиции 15.2-15.2' в КРИ 15 обеспечивается режим работы поверхностными волнами, при котором максимум ДН ориентирован под углами, близкими к ППП (фиг. 6б), а электрическая схема антенны представляет собой вертикальный вибратор высотой Н с верхней емкостной нагрузкой в виде двух горизонтальных проводников каждый длиной L (фиг. 7б). В первом и втором режимах НЧА будет более эффективной (иметь больший КПД) в сравнении с прототипом. В первом режиме за счет существенного снижения потерь, обусловленных протеканием тока проводимости I в полупроводящей среде ППП. Во втором режиме за счет увеличения действующей высоты НЧА, в которой плечи антенны выполняют роль верхней емкостной нагрузки, что без увеличения физической высоты НЧА увеличивает ее действующую высоту и, следовательно, ее КПД.
После завершения работы радиолинии и выключения РПРД, включают электродвигатели 4.7 и 9.10 с обратным направлением вращения - происходит наматывание ДФ 3, ДФ 7 и ДПФ 5 на соответствующие катушки 4.9 и 9.9.
Таким образом, при использовании заявленной НЧА обеспечивается повышение ее эффективности (КПД) и двухмодовая работа: пространственными и поверхностными ЭВМ, т.е. достигается указанный технический результат.