Антенна низких частот
LOW-FREQUENCY ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для излучения электромагнитных колебаний на линиях связи низкочастотных диапазонов радиоволн, преимущественно в международной автоматизированной системе оповещения NAVTEX, а также при развертывании в местах, не приспособленных для строительства капитальных антенных сооружений, на радиопередающих нестационарных центрах с изменяемой дислокацией их на местности и как резервный вариант на существующих радиопередающих станциях. Безмачтовая шлейф-вибраторная антенна низких частот на привязном мультикоптере адаптируется к мобильному исполнению с оперативным вводом в рабочее состояние.
Со времен изобретения радиоантенн в опытных исполнениях для диапазонов низких частот ввиду значительной протяженности излучателей применяют безмачтовые протяженные антенные устройства с использованием в качестве подъемно-удерживающих устройств воздушных змеев, предназначенных для подъема на высоту и удержания удлиненных излучающих проводников, в целях повышения эффективности работы радиопередающих устройств. Известна и промышленная реализация антенны «Змей» из комплекта переносной шлюпочной радиостанции «Плот» для подачи сигналов бедствия и связи со спасателями, применявшаяся с 1960 года (В.В. Демидов, В.А. Доливо, В.В. Пономаренко, М.А. Сырых, Н.И. Чернозубова, А.Н. Пипченко. Квалифицированный матрос (Able Seaman). Уч. Пос. под ред. профессора Пипченко А.Н.. Изд.: Центр подготовки и аттестации плавсостава Одесской Государственной Морской Академии. 1997 г.)
Известная антенна «Змей» обладает недостаточной надежностью обеспечения работы из-за необходимости применения только в ветряную погоду и малой подъемной силой из-за ограниченных размеров подъемного устройства для мобильного укомплектования радиостанции.
Известна выпускная самолетная антенна из элементов, часть которых закреплена на фюзеляж самолета, а часть - расположена на выпускном тросе (А.с. СССР №1160492, опубл. 07.06.1985). Антенна содержит излучатель, выполненный из провода, выпускную изоляционную трубку, установленную в самолете, через которую пропущен трос-излучатель, одним концом прикрепленный к лебедке, установленной в самолете, а другим к стабилизирующему устройству, нанизанному на трос.
Известная выпускная самолетная антенна имеет низкую надежность в эксплуатации, обусловленную усложненным устройством стабилизации при ее складывании, что приводит к ее обрывам.
Известна аэростатная антенна зонтичного типа (Пат. РФ №2340986, опубл. 10.12.2008), содержащая аэростат с оболочкой сферической формы и пропущенную через верхний и нижний полюсы оболочки вертикальную штангу, на вершине которой с помощью строп закреплено флюгирующее аэродинамическое объемное тело, а также лебедку с привязными тросами, противовес и емкостную нагрузку зонтичного типа, выполненную в виде радиально расходящихся проводников, размещенных на поверхности аэродинамического объемного тела. Причем один из привязных тросов аэростата выполнен с токопроводящим покрытием, точка соединения радиально расходящихся проводников прикреплена к вершине штанги, а свободные концы проводников - к каркасу объемного тела, при этом нижний конец токопроводящего троса и точка соединения проводников противовеса являются входом-выходом антенны.
Недостатками известной антенны являются конструктивная сложность устройства для реализации емкостной нагрузки зонтичного типа, предназначенной для снижения высоты подъема токопроводящего троса за счет увеличения действующей высоты антенны, и эксплуатационная сложность, обусловленная обеспечением взаимодействия элементов системы при необходимости воздействии на аэростат дополнительной ветровой нагрузки, разворачивающей его навстречу ветровому потоку для создания дополнительной аэродинамической подъемной силы аэростата и стабилизации его в пространстве.
Известна аэростатная антенна (Пат. РФ №2320058, опубл. 20.03.2008), содержащая аэростат, кабель-трос и изолятор, через который они соединены между собой, и снабжена дополнительной емкостной нагрузкой зонтичного типа, конструктивно выполненной в виде трех и более электрических проводников. Каждый из проводников верхним концом прикреплен к точке присоединения кабеля-троса к изолятору, а нижним через дополнительный изолятор соединен с растяжкой, заякоренной к земле, при этом заявляемая антенна снабжена электрическим противовесом в виде трех и более электрических проводников, соединенных одним концом между собой. Проводники электрического противовеса расположены на поверхности земли и радиально расходятся от точки соединения, при этом данная точка соединения проводников противовеса является одним электродом вывода антенны, а нижний конец кабеля-троса является другим электродом этого вывода, которым антенна подключается к радиопередающему устройству.
Недостатками известной антенны являются необходимость повышенной подъемной силы подъемно-удерживающего устройства (аэростата), обусловленной обтяжкой трех и более электрических проводников с растяжками при центровке кабель-троса. Дополнительно к этому антенны с разветвленной верхней частью имеют пониженные антифединговые свойства.
Целью изобретения является создание антенны низких частот повышенной эффективности, предназначенной для работы преимущественно в международной автоматизированной системе оповещения NAVTEX, с использованием привязного мультикоптера с возможностью в зависшем состоянии стабильно поддерживать длину излучающих проводников вибратора, соизмеримой с 0,25λ и получать электропитание мультикоптером по отдельному кабель-тросу его привязки. Длина вибратора, то есть высота подъема кабель - троса, соизмеримая с 0,25λ, резко улучшает характеристики излучения антенной и приводит к повышению коэффициента полезного действия с повышением дальности передачи информации.
Предлагаемое техническое решение направлено на повышение эффективности использования антенны при изменении функции электрических проводников емкостной нагрузки, с вырождением в дополнительный проводник плеча шлейф - вибратора, при доведении размерности проводниковых кабель-тросов до длин, соизмеримых 0,25λ, и фиксируемых в рабочем положении с помощью привязного мультикоптера, и обеспечения его длительной работы подачей электропитания по отдельному кабель-тросу без использования бортовых аккумуляторов.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении полосы пропускания, обеспечении длительной работы и уменьшении веса мультикоптера.
Для достижения указанного технического результата в антенне низких частот, разворачиваемой с помощью привязного летательного аппарата, соединенного через изолятор с основным кабель-тросом, нижний конец которого является электродом вывода антенны и подключен к радиопередающему устройству, содержащей электрический противовес в виде трех электрических проводников, расположенных и закрепленных на земле и радиально расходящихся от точки их соединения в центре, дополнительно к изолятору присоединены два кабель - троса, причем один из них пассивный без гальванического присоединения к двум другим и предназначенный для подачи электропитания к летательному аппарату, длина всех трех кабель-тросов соизмерима с 0,25λ, нижние концы кабель - тросов порознь соединены с проводниками электрического противовеса и разнесены друг от друга на угол 120 градусов, а от точки соединения радиально расходящихся электрических проводников электрического противовеса на расстояние 0,025λ, вторым электродом вывода антенны является точка соединения источника питания с проводником противовеса, с которым соединен основной кабель-трос, в качестве привязного летательного аппарата используют мультикоптер средних размеров, работающий в режиме зависания.
Предлагаемая антенна низких частот иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 показан общий вид антенны низких частот, на фиг. 2 приведен график изменения КСВ в рабочем диапазоне, на фиг. 3 - диаграммы направленностей в горизонтальной и вертикальной плоскости с электрическими параметрами.
Предлагаемая антенна низких частот разворачивается с помощью привязного летательного аппарата мультикоптера 1 среднего размера (фиг. 1), который работает в режиме зависания. К мультикоптеру 1 присоединен основной кабель - трос 2 через изолятор 3. Нижний конец кабель - троса 2 является электродом вывода антенны, которым подключен к радиопередающему устройству (на фиг. 1 не показано). Антенна содержит электрический противовес, выполненный из трех электрических проводников 4, расположенных и закрепленных на земле и радиально расходящихся от точки 5 их соединения в центре. Дополнительно к изолятору 3 присоединены два кабель - троса 6 и 7. При этом кабель - трос 7 является пассивным без гальванического присоединения с кабель-тросами 2 и 6 и предназначен для подачи электропитания к мультикоптеру 1, тем самым исключает необходимость аккумулятора на мультикоптере 1. Нижние концы всех трех кабель-тросов 2, 6, 7 порознь соединены с проводниками 4 электрического противовеса соответственно в точках 8, 9, 10 и разнесены друг от друга на угол 120°, а от точки 5 на расстояние, соизмеримое с 0,025λ. Длина кабель-тросов 2, 6, 7 соизмерима с 0,25λ. Вторым электродом 11 вывода антенны является точка соединения источника питания с проводником 4 противовеса, с которым соединен основной кабель-трос 2.
Антенна низких частот работает следующим образом.
После подъема мультикоптера 1 на заданную высоту удерживаемые в натяжке кабель-тросы 2 и 6 через изолятор 3 и крепления в точках 8 и 9 к проводникам 4 противовеса с использованием проводимости проводников 4 создают электрический шлейф, к которому через электроды вывода антенны фидером (на фиг. 1 не показан) подключается радиопередающее устройство. Таким образом, два проводящих кабель-троса 2 и 6, соединенные между собой через изолятор 3, образуют двухпроводный вибратор протяженностью 0,25λ, то есть плечо классического шлейф-вибратора Пистолькорса с разносом проводников в районе подключения антенны к фидеру на расстояние соизмеримое с 0,025λ (фиг. 1). И если в прототипе настроенный четвертьволновый однопроводный вибратор, обладает классическим входным сопротивлением соизмеримым с 36 Ом, то полувибратор Пистолькорса имеет сопротивление 144 Ома. Работа шлейф-вибратора Пистолькорса широко освещена в технической литературе. Компьютерное моделирование на частоте 500 кГц, то есть длине волны 600 метров, при четвертьволновом вибраторе, полностью подтвердило эти значения в полосе частот практически 1,5 раза шире, чем у одиночного вибратора, то есть вместо 26 кГц у классического вибратора стало значительно шире, что подтверждается графиком изменения КСВ (фиг. 2). Кроме этого, кабель-трос 7, обеспечивающий подключение элктропитания к мультикоптеру 1, без гальванического присоединения верхнего конца к существующим кабель-тросам 2 и 6, является пассивным равноудаленным от каждого переизлучателем в системе существующих проводников, образующих треугольную пирамиду без существенного влияния на их работу. Кроме этого, в отличие от вибратора Пистолькорса, непараллельное размещение кабель-тросов 2, 6 и 7, сходящихся к изолятору 3 не повлияло на работоспособность, что подтверждается формами диаграмм направленностей и основными параметрами антенны (фиг. 3). Вырождение проводника емкостной нагрузки прототипа, уменьшающей высоту подъема однопроводного вибратора, во второй кабель-трос 6 при предложенной трансформации излучателя антенной системы в шлейф-вибратор Пистолькорса с пассивным переизлучателем 7 повышает высоту подъема вибратора относительно антенн с емкостной нагрузкой, но при использовании привязных мультикоптеров становится целесообразным. Дополнительно к этому, при использовании привязного мультикопрера с удерживающим кабель-тросом 7 в дополнение к двум другим кабель-тросам 2 и 6, в виде классического яруса оттяжек с трехсторонним разносом при фиксации мачтовых сооружений, обеспечивает использование мультикоптеров упрощенных конструкций без систем ориентации на местности. Причем необходимость использования прочных стальных кабель-тросов с покрытиями повышенной проводимости в аналогах и прототипе, выполняющих функции удержания аэростатов, в предлагаемом техническом решении не требуется, так и выполнять кабель-трос в предлагаемой антенне можно из тонкого широко используемого при развертывании мобильных антенн медного, с малым электрическим сопротивлением, антенного канатика. При применении в системах NAVTEX передатчиков с мощностями, соизмеримыми с 500 Вт, при подъеме обеспечивающего работу антенного канатика диаметром 3,5 мм, для частот 490 кГц и 518 кГц, на высоту 150 м, с учетом кабель-троса электропитания достаточно подъемной силы мультикоптера от 15 кг, что многократно упрощает эксплуатацию и удешевляет стоимость антенного сооружения. При этом, ввиду отсутствия потребности нахождения на борту привязных мультикоптеров аккумуляторов электропитания, облегчается подъемно-удерживающее устройство и за счет этого компенсируется вес питающего кабель-троса.
Для обеспечения симметрии в предлагаемой версии антенны все кабель тросы разносятся вокруг центра 5 сходящихся проводников 4 противовеса, с углами в 120 градусов между проекциями кабель-тросов 2, 6 и 7 на противовес, без изменения электрических функций кабель-тросов 2 и 6 (фиг. 3). В свою очередь любой переизлучатель в ближней зоне антенного устройства влияет на параметры антенны. Ввиду того, что кабель-трос 7 также является проводником, для проверки его влияния проведено компьютерное моделирование, которое подтвердило незначительность изменений основных параметров антенны, в том числе, не прогнозируемо, с их улучшением, с повышением коэффициента усиления и сужения диаграммы направленности в вертикальной плоскости, расширением полосы пропускания в область высоких частот (фиг. 2, 3).
Предложенная антенна низких частот на привязном мультикоптере может, преимущественно, применяться в системах NAVTEX и успешно использоваться как резервный вариант для радиоцентров низких частот, в том числе в мобильном варианте, в качестве оперативно развертываемых радиостанций радиоконтроля или запасных комплектов военных радиостанций.