САМОЛЕТНАЯ АНТЕННА
AIRCRAFT ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве многодиапазонной приемной или передающей антенны в системах связи, в частности в качестве передающей антенны системы КОСПАС/SARSAT.
1
2
3
Актуальной задачей является обеспечение работы антенны в нескольких частотных диапазонах одновременно, для антенны КОСПАС/SARSAT это частоты F=406 МГц, F=243 МГц и F=121,5 МГц.
Для самолетных антенн также существенным является требование по их молниестойкости [Резников Г.Б. Антенны летательных аппаратов. - М: Радио и связь, 1967. 416 с.]. При этом антенна должна не только не разрушаться, что само по себе вообще не допустимо с точки зрения безопасности полета, но и сохранять работоспособность после удара молнии.
Известна трехчастотная антенна, представляющая стальную трубу четвертьволновой длины, которая служит также несущей мачтой для двух четвертьволновых излучателей более низкого диапазона частот. На входе антенны все три излучателя спаяны друг с другом и к ним подключена центральная жила коаксиального кабеля, экран которого соединен с возможно большим количеством радиальных противовесов. Основной штырь в виде стальной трубы при этом оказывается несколько укороченным против нормы, что обусловлено наличием двух параллельно включенных излучателей. Для приблизительного согласования с 50-омным кабелем противовесы должны быть наклонены вниз под углом 135 градусов [К.Ротхамель. Антенны. T.1, изд. 11-е, исправленное. -  М.: Додека, 2005. - с.388].
Недостатком этой антенны является громоздкость конструкции, недостаточно хорошее согласование во всех частотных диапазонах и отсутствие средств молниезащиты.
1
1
2
2
3
4
Известна также трехчастотная антенна, включающая один штырь и четыре радиальных противовеса той же длины. На входе штыря последовательно включены параллельные резонансные контуры L-C и L-С, с помощью которых поддерживается резонанс вертикальной секции и противовесов в нескольких диапазонах. Параллельно контурам подключен закороченный отрезок коаксиального кабеля, причем экран подключен к входу антенны, а центральная жила через конденсаторы С и C подключена по кратчайшему пути к двум точкам на штыре. Антенна обладает острой настройкой [К.Ротхамель. Антенны. T.1, изд. 11-е, исправленное. - М.: Додека, 2005. - с.389].
Недостатком этой антенны является ее большая высота, поскольку она имеет один штырь с длиной, рассчитанной на работу в самом длинноволновом диапазоне, сложность настройки и отсутствие средств молниезащиты.
Наиболее близкой к заявляемой является самолетная антенна, включающая корпус, установленный на основании и имеющий вспененный диэлектрический наполнитель, расположенные в нем два антенных излучателя, подключенных к высокочастотному разъему через разделитель каналов, и систему молниезащиты [патент РФ №2063654, H01Q 5/00, опубл. 10.07.1996].
Антенна содержит два полых металлических (верхний и нижний) излучателя, разделенных изолятором. Нижний излучатель имеет фланец, служащий для крепления антенны к корпусу самолета.
Разделитель каналов выполнен в виде резонансного контура, состоящего из индуктивности, конденсатора постоянной емкости и подстроечного конденсатора.
Система молниезащиты выполнена следующим образом. Своей верхней точкой верхний излучатель соединен (пайкой или сваркой) посредством проводника (молниеотводящая шина) с корпусом самолета. Верхний излучатель проводником присоединен к высоковольтному конденсатору, который встроен внутри этого излучателя, и изготовлен из двухстороннего фольгированного диэлектрика, при этом одна обкладка конденсатора соединена (пайкой) с проводником, подключенным к центральной жиле разъема, а другая соединена с шиной, припаянной к внутренней поверхности этого излучателя. Внутренние полости верхнего вибратора и нижнего вибратора-основания, соединенных внутри проводником молниеотводящей шины, образуют коаксиальный резонатор с зазором в средней части, сочетание входного сопротивления которого с сопротивлением вибраторов определяет диапазонные свойства антенны.
Недостатком такой антенны является возможность работы только в одном, пусть и широком, диапазоне частот. Молниеотвод осуществляется через тело антенны, что может привести к ее разрушению.
Техническим результатом изобретения является обеспечение работы антенны в трех частотных диапазонах, упрощение настройки и повышение ее молниезащищенности.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
f2
f2
f3
f3
Указанный результат достигается тем, что самолетная антенна, включающая корпус с фланцем, имеющий вспененный диэлектрический наполнитель, расположенные в нем два антенных излучателя, подключенных к высокочастотному разъему через разделитель каналов, и систему молниезащиты, снабжена основанием, диэлектрической платой и дополнительным антенным излучателем, плата выполнена в виде листа с нанесенной на одну из его сторон топологией трех печатных вышеназванных антенных излучателей на частотные диапазоны F, F, F, причем F>F>F, излучатель на верхний частотный диапазон F выполнен четвертьволновым и соединен непосредственно с высокочастотным разъемом, излучатели на нижние частотные диапазоны F, F выполнены укороченными, а их входы снабжены согласующими Г-звеньями, состоящими из индуктивных элементов, разделитель каналов имеет полосно-пропускающие фильтры, выполненные в виде последовательных колебательных контуров L-C, L-C, система молниезащиты содержит расположенные по обеим сторонам гребня корпуса молниеприемники, выполненные в виде отрезков металлизированных лент и закрепленные вдоль гребня корпуса, металлизированные дорожки молниеотводов, идущие вниз от молниеприемников по боковым поверхностям корпуса, и сплошные участки металлизации, расположенные на фланце корпуса, дорожки молниеотводов отделены от молниеприемников и сплошного участка металлизации зазорами шириной не более 0,25 мм и выполнены в виде отрезков проводников, не превышающих 5 мм, расположенных друг от друга с зазором не более 0,25 мм.
Целесообразно основание выполнить в виде эллипсовидного металлического элемента с пазом для установки антенной платы, а корпус - из стекловолокна методом холодной формовки обтекаемой формы.
Для сохранения молниезащитных свойств корпуса и отвода статического электричества антенна покрыта краской, в которую добавлена бронзовая пудра в соотношении 1:10.
На фиг.1 представлена схема трехчастотной самолетной антенны.
На фиг.2 - схема включения излучателей антенны.
На фиг.3 - система молниезащиты антенны.
На фиг.4 - фотография трехчастотной самолетной антенны.
На фиг.5 - топология печатной платы трехчастотной антенны.
На фиг.6 - фотография макета трехчастотной вибраторной антенны с канальными фильтрами и согласующими Г-звеньями.
На фиг.7 - зависимость КСВ антенны от частоты.
На фиг.8 - ДН антенны на частоте 406 МГц.
На фиг.9 - ДН антенны на частоте 243 МГц.
На фиг 10 - ДН антенны на частоте 121,5 МГц.
На фиг 11 - Составляющая тока разряда А.
На фиг 12 - Составляющие тока разряда В и С.
На фиг 13 - Составляющая тока разряда D
На фиг 14 - Вид антенны после проведения испытания на молниестойкость по зоне 1А: а) вид справа, б) вид слева.
На фиг 15 - Вид антенны после проведения испытания на молниестойкость по зоне 1В: а) вид справа, б) вид слева.
Антенна состоит из: основания 1, антенной платы 2, корпуса 3, диэлектрического наполнителя 4, высокочастотного разъема 5 (фиг.1).
Основание 1 представляет собой эллипсовидный металлический элемент с пазом для установки антенной платы 2, отверстиями для установки высокочастотного разъема и отверстиями для крепления антенны к корпусу самолета.
1
2
3
1
2
3
2
3
Антенная плата 2 представляет собой диэлектрический лист с нанесенной на одну из ее сторон топологией трех печатных антенных излучателей 6, 7, 8 на частотные диапазоны F, F, F, причем F>F>F, и разделителя каналов. Излучатель 6 на верхний частотный диапазон F1 выполнен четвертьволновым. Излучатели 7, 8 на нижние частотные диапазоны F, F выполнены укороченными, а на входе для компенсации укорочения включены согласующие Г-звенья, состоящие из индуктивных элементов [Iyer V., Makarov S.N., Harty D.D., Nekoogar F., Ludwig R. A Lumped Circuit for Wideband Impedance Matching of a Non-Resonant, Short Dipole or Monopole Antenna // IEEE Trans. Antennas Propag., vol.58. No.1, January, 2010, pp.18-26]. Антенная плата 2 вставляется нижней частью в паз основания (не показан) и закрепляется в нем. В плате 2 имеются сквозные отверстия 9 вне топологии антенных излучателей 6, 7, 8 для взаимопроникновения пенного наполнителя при заливке внутренней полости антенны.
2
3
s1
p2
s3
p3
f2
f2
f3
f3
1
Три излучателя 6, 7, 8 подключены к одному входу с помощью трехчастотного разделителя каналов, или триплексера (фиг.2). Излучатели 7, 8 на нижние частотные диапазоны F, F выполнены с согласующими Г-звеньями (трансформаторами импедансов) 10, 11, состоящими из индуктивных элементов L-L, L-L. Частотный разделитель каналов реализован на полосно-пропускающих фильтрах 12, 13, которые выполнены в виде последовательных колебательных контуров L-C, L-C, причем колебательный контур на частоту F отсутствует и излучатель 6 на эту частоту подключен к входу антенны напрямую.
Корпус 3 выполнен из стекловолокна методом холодной формовки и имеет обтекаемую форму в виде крыла с гребнем на периферии.
Сверху на корпус 3 нанесена оригинальная система молниезащиты, состоящая из молниеприемников 14, расположенных горизонтально по обе стороны гребня корпуса 1, дорожек молниеотводов 15, идущих вниз от молниеприемников 14 по обеим сторонам корпуса и сплошного участка металлизации 16 в основании корпуса (фиг.3). Для функционирования системы молниезащиты между молниеприемниками 14 и дорожками молниеотводов 15, как и между дорожками молниеотводов 15 и сплошным участком металлизации 16, должны быть зазоры шириной не более 0,25 мм, а сами дорожки 15 должны иметь разрывы той же ширины.
Для сохранения молниезащитных свойств антенны и отвода статического электричества с корпуса в краску, которой покрыт корпус 3 антенны, должна быть добавлена бронзовая пудра в соотношении 1:10.
При разряде молнии в антенну в вышеупомянутых зазорах возникают воздушные разряды, которые смыкаются между собой, образуя сплошные нити тока вдоль корпуса 1 антенны. Затем ток разряда уходит через крепежные винты на корпус самолета. Для образования нити тока сплошные отрезки проводников дорожек молниеотводов 15 не должны превышать 5 мм. В результате разряд молнии не проникает внутрь антенны, а идет по воздуху вдоль внешней образующей корпуса 1, в результате чего корпус при ударе молнии не разрушается и антенна сохраняет свою работоспособность. Более того, антенна может выдержать три удара молнии, следующих друг за другом, что подтверждено экспериментально.
Диэлектрический наполнитель 4 служит для герметизации внутренности антенны и представляет собой пенополиуретановое заполнение.
Антенна данного типа отрабатывалась экспериментально для самолетных радиомаяков системы КОСПАС/SARSAT для частот F1=406 МГц, F2=243 МГц и F3=121,5 МГц.
g
g
g
g
r
r
s3
p3
s2
p2
f3
f3
f2
f2
Вертикальные участки излучателей 6, 7, 8 максимально разнесены в пространстве для минимизации их взаимной связи. С этой целью излучатели 6, 7 выполнены с изломом. Длины излучателей на соответствующие частотные диапазоны составили: излучатель 6 на частоту F1 - 0,235λ, излучатель 7 на частоту F2 - 0,23λ, излучатель 8 на частоту F3 - 0,12λ, где λ=λ/√ε, ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрического наполнителя 4 антенны. Номиналы элементов, формирующих Г-секции трансформаторов: L=220 нГн, L=24 нГн, L=3,3 нГн, L=10 нГн. Номиналы элементов последовательных колебательных контуров: L=220 нГн, C=7,5 пФ, L=100 нГн, C=4 пф.
1
2
3
1
2
3
На фиг.7 четко видны три резонанса с центральными рабочими частотами F=406 МГц, F=243 МГц и F=121,5 МГц. Ширины полос пропускания по уровню КСВ<2 составили: Δf=104 МГц, Δf=11,2 МГц, Δf=2,3 МГц.
Из фиг.8 видно, что диаграмма направленности на частоте 406 МГц имеет торообразную форму с шириной ДН 42 градуса (по уровню - 3 дБ) и максимумом коэффициента усиления при θ=50 градусов, равным 2,5 дБ.
Из фиг.9 видно, что диаграмма направленности на частоте 243 МГц имеет торообразную форму с шириной ДН 55 градусов и максимумом коэффициента усиления при θ=40 градусов, равным - 2,5 дБ.
Из фиг.10 видно, что диаграмма направленности на частоте 121,5 МГц имеет торообразную форму с шириной ДН 60 градусов и максимумом коэффициента усиления при θ=40 градусов, равным - 8,75 дБ.
p1
p1
pT
T
B
pC
C
B
p2
p2
2
6
2
6
2
Испытаниям на молниестойкость подверглись три образца самолетной антенны. Осциллограммы импульсов испытательного тока, соответствующих различным зонам установки антенны на корпус самолета, представлены на фиг.11-13. Эти импульсы характеризуются следующими параметрами: составляющая А (импульс тока первого обратного разряда, фиг.11) - амплитуда I=200±10% кА с интегралом действия ∫idt=2·10±20% кА·с и временем воздействия t=500 мкс; составляющая В (промежуточный ток, фиг.12) - средняя амплитуда I=2±10% кА длительностью t=5 мс, переносимый заряд Q=10±10% Кл; составляющая С (постоянный ток, фиг.12) - амплитуда I=200-800 А длительностью t=0,25 мс - 1 с, переносимый заряд Q=200±20% Кл; составляющая D (ток повторного разряда, фиг.13) - амплитуда I=100±10% кА с интегралом действия 0,25·10±20% кА·с и временем воздействия t=500 мкс.
На фиг.14 представлены фотографии антенны после проведения испытания на молниестойкость по зоне 1А, соответствующей установке антенны в средней части фюзеляжа самолета (составляющая тока разряда А, фиг.11). Из фиг.14 видно, что в результате воздействий двумя разрядами тока разрушения корпуса антенны не происходит. При этом срабатывают три дорожки молниеотводов из пяти на обеих сторонах корпуса.
На фиг.15 представлены фотографии антенны после проведения испытания на молниестойкость по зоне 1В, соответствующей установке антенны в хвостовой части фюзеляжа самолета (составляющие тока разряда А, В, C и D. фиг.11-13). Из фиг.14 видно, что в результате воздействия полного тока разряда видимых повреждений корпуса антенны не происходит. При этом срабатывают все дорожки молниеотводов, кроме одной, на обеих сторонах корпуса.
После проведения испытаний на молниестойкость все три антенны сохранили работоспособность.
В результате испытаний были выявлены оптимальные размеры отрезков проводников дорожек молниеотводов не более 5 мм, а также зазоров между ними и зазоров между дорожками молниеотводов, молниеприемниками и сплошными участками металлизации не более 0,25 мм.
Размеры антенны составили: 240 мм × 240 мм × 60 мм. Масса антенны - 460 г.