НЕВЫСТУПАЮЩАЯ АНТЕННА НА ПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КОРПУСА ОБЪЕКТА Российский патент 1995 года по МПК H01Q1/28 

Изобретение относится к технике антенн и антенно-фидерных линий и может быть использовано для создания невыступающих передающих и приемных антенн с квазиизотропной диаграммой направленности на подвижных объектах, в том числе на воздушных летательных аппаратах, включая самолеты, не изменяя их прочностных характеристик, в случае, когда размеры их корпуса соизмеримы с длиной волны или существенно меньше длины волны, для обеспечения скрытности размещения антенн на объектах практически любой формы (в том числе и неподвижных) и для других целей.

Известны поверхностные антенны, изолированные от металлического корпуса летательного аппарата с помощью диэлектрических изоляторов. Для размещения излучателя некоторая, обычно концевая, часть летательного аппарата изготавливается из высокопрочного диэлектрика. На эту диэлектрическую часть наносится проводящий слой, имеющий требуемую форму излучателя. Могут быть изготовлены из диэлектрика крылья аппарата, а на них размещены два плеча симметричного поверхностного вибратора.

Известно также техническое решение, в котором в качестве антенны используется проводящий корпус объекта, состоящего из двух частей, разделенных изолирующей вставкой, а выход генератора соединен с этими двумя частями. Изолирующие вставки могут быть диэлектрическими или металлическими изоляторами.

Наиболее близким к изобретению является устройство, в котором в качестве излучателя используется структурный элемент самолета, который частично состоит из металла, например крыло, которое частично выполнено из металла, путем подключения проводов двухпроводного фидера, выведенных наружу из фюзеляжа самолета, к двум разнесенным точкам проводящей части структурного элемента.

На современных полностью металлических (и тем более скоростных) самолетах такое техническое решение практически не применимо. Выведенные наружу из фюзеляжа провода должны быть проложены непосредственно по обшивке самолета, а еще лучше с некоторым углублением. При подключении концов проложенных таким образом проводов к обшивке крыльев или фюзеляжа образуются закороченные на концах несимметричные линии, которые не будут излучать, так как в обшивке самолета возникнут вдоль проложенных проводов обратные фидерным токи, что приведет к взаимной компенсации полей. Прокладка фидерных проводов в экранах также ничего не даст: если экраны изолированы от обшивки (вдоль своей длины, но на входах они должны быть соединены с обшивкой), то возникают обратные токи на внешней поверхности экранов, если же экраны не изолированы (вдоль своей длины) от обшивки, то при подключении фидерных проводов к обшивке происходит закорачивание их на экраны, т.е. в любом случае система не будет излучать.

Целью изобретения является повышение эффективности излучения радиоволн с длинами, соизмеримыми с размерами корпуса объекта или большими его размеров, путем возбуждения на его проводящей поверхности сторонних токов генератором, расположенным внутри объекта, в том числе в случае, когда корпус объекта представляет собой внешний экран для помещенного внутри него генератора, без необходимости выведения наружу питающих фидеров и исключения возникновения токов на внутренней поверхности корпуса и на внешних поверхностях экранов фидеров, находящихся внутри объекта, а также без необходимости включения в корпус объекта изолирующих вставок без увеличения аэродинамического сопротивления, веса и размеров объекта и без снижения его механической прочности.

Для этого в невыступающей антенне по первому варианту, содержащей два отрезка линии передачи, первые концы которых присоединены в двух разнесенных точках к проводящей части корпуса объекта, а их вторые концы присоединены к входу переходного устройства, в качестве которого использован трансформатор, выход которого является выходом антенны, в проводящей части корпуса в точках присоединения отрезков линии передачи выполнены отверстия, на расстоянии меньшем λ/2 одно от другого, которые закрыты снаружи введенными диэлектрическими заглушками, а в качестве отрезков линии передачи использованы отрезки коаксиального кабеля длиной λ/4, где λ длина волны на средней частоте рабочего диапазона, присоединение их первых концов осуществлено соединением внешних проводников с краями отверстий внутри объекта, при этом центральные проводники обрезаны на уровне дна диэлектрических заглушек. Переходное устройство содержит два трансформатора, каждый из которых помещен в свой экран, а в каждом экране изготовлено специальное отверстие, с краями этих отверстий соединены внешние проводники вторых концов коаксиальных кабелей, а центральные проводники этих концов кабелей выведены через другие отверстия в экранах наружу и соединены один с другим, конец первичной обмотки первого трансформатора и начало первичной обмотки второго трансформатора соединены внутри экранов с центральными проводами соответственно первого и второго отрезков коаксиальных кабелей, начало первичной обмотки первого и конец первичной обмотки второго трансформаторов соединены с внутренними поверхностями своих экранов, концы вторичных обмоток первого и второго трансформаторов выведены через соответствующие отверстия в экранах, начало вторичной обмотки первого трансформатора и конец вторичной обмотки второго трансформатора являются выходом антенны, а другие концы вторичных обмоток трансформаторов соединены один с другим.

В невыступающей антенне по второму варианту, содержащей два отрезка линии передачи, первые концы которых присоединены к проводящей части корпуса объекта в двух разнесенных точках в проводящей части корпуса, в точках присоединения отрезков линий передачи выполнены отверстия на расстоянии меньшем λ/2 одно от другого, которые закрыты снаружи введенными диэлектрическими заглушками, а отрезки линий передачи выполнены в виде отрезков коаксиального кабеля длиной больше λ/4, где λ длина волны на средней частоте рабочего диапазона, со стороны первых концов на длине λ/4 вместо внешней защитной оболочки на них коаксиально установлены введенные цилиндрические трубки, выполненные из диэлектрика, используемого в коаксиальном кабеле, а сверху цилиндрические трубки из проводника, торцы которых с одной стороны соединены с краями отверстий в проводящей части корпуса внутри объекта, а с другой стороны на расстоянии λ/4 с учетом укорочения волны в кабеле соединены с внешними проводниками соответствующих отрезков коаксиальных кабелей, центральные проводники первых концов которых присоединены к внутренним поверхностям цилиндрических трубок из проводника ниже дна диэлектрических заглушек, внешние проводники на первых концах отрезков коаксиальных кабелей обрезаны ниже дна диэлектрических заглушек, вторые концы отрезков коаксиальных кабелей являются выходом антенны.

Электрическое подключение выхода генератора и двум разнесенным на внешней проводящей поверхности корпуса объекта точкам создает между этими точками разность потенциалов, в результате чего возбуждается ток на внешней поверхности объекта. Предложенные в техническом решении два варианта схем подключения исключают ответвления токов на внутреннюю поверхность корпуса объекта и внешние поверхности экранов питающих фидеров. Поскольку корпус объекта имеет размеры, соизмеримые с длиной волны, то при возбуждении тока на его поверхности он становится эффективной антенной. Так как поле излучения корпуса является первичным полем, то исчезают и трудности, неизбежно возникающие при использовании выступающих антенн, связанные с экранирующим действием корпуса и интеpфеpенцией полей.

Предложенное техническое решение позволяет упростить проблему согласования антенны с выходом передатчика и в случае, когда максимальный размер корпуса мал по сравнению с длиной волны, так как последовательно малому сопротивлению излучения не будет включено большое емкостное сопротивление, как это обычно имеет место при использовании электрически коротких антенн. На возможность использования предложенного технического решения не накладывают ограничений ни форма, ни размеры объекта.

Отличие предложенного технического решения от прототипа является существенным, так как позволяет использовать в качестве излучателя наружную проводящую поверхность корпуса объекта, у которого вся поверхность является проводящей, т.е. корпус объекта представляет собой экран для установленного внутри оборудования без необходимости выведения наружу фидерных устройств. Оно в отличие от прототипа применимо на любых современных летательных аппаратах (не только самолетах), не оказывая влияния на их аэродинамические и прочностные характеристики. Предложенное техническое решение позволяют реализовать невыступающую антенну на проводящей внешней поверхности объекта практически любой формы, обеспечивающую эффективное излучение радиоволн с длинами, соизмеримыми с размерами корпуса или большими его размеров, а также позволяет обеспечить скрытность размещения антенн на объекте.

На фиг. 1 приведен пример схемы первого варианта невыступающей антенны. Этот вариант антенны содержит проводящий корпус объекта 1 с двумя отверстиями в нем, разнесенными на расстояние, меньшее половины длины волны, и закрытыми заглушками 2 и 3 из диэлектрика, два отрезка коаксиального кабеля 4 и 5 и переходное устройство, состоящее из дух трансформаторов 6 и 7, заключенных в экраны 8 и 9.

На фиг. 2 приведена схема второго варианта невыступающей антенны. Он содержит проводящий корпус объекта 1 с двумя отверстиями в нем, разнесенными на расстояние, меньше половины длины волны, и закрытыми заглушками 2 и 3 из диэлектрика, два отрезка коаксиального кабеля 4 и 5, две цилиндрические трубки из проводника 6 и 7, образующие своими внутренними поверхностями и внешними поверхностями экранов 8 и 9 отрезков коаксиального кабеля 4 и 5 четвертьволновые закороченные на конце стаканы. На фиг. 2 цифрой 10 обозначена часть стенки проводящего корпуса (экрана) передатчика (или приемника) с симметричным выходом (или входом) 11.

Рассмотрим пример реализации невыступающей антенны по первому варианту. Внутренние поверхности экранов 8 и 9, внутри которых заключены соответствующие трансформаторы 6 и 7, практически не соединены между собой по высокой частоты, так как их связь (между полостями экранов) через отверстие в экранах, через которые соединены между собой внутренние провода коаксиальных кабелей 4 и 5, ничтожна. Первые обмотки трансформаторов 6 и 7 соединены последовательно, так как конец одной (К1) и начало другой (Н2) подключены к соединенным между собой внутренним проводам коаксиальных кабелей 4 и 5. Начало (Н1) и конец (К2) этих обмоток соединены с внутренними поверхностями соответственно экранов 8 и 9, обеспечивая подключение выхода передатчика к внутренним поверхностям экранов коаксиальных кабелей 4 и 5 на их входных концах, запитывая их в противофазе. Таким образом, основной функцией переходного устройства, в состав которого входят трансформаторы 6 и 7, помещенные в экраны 8 и 9, является подключение выхода передатчика к внутренним поверхностям экранов коаксиальных кабелей 4 и 5, которые по высокой частоте между собой не соединены, причем на внутренних проводниках этих коаксиальных кабелей, соединенных между собой, устанавливается потенциал, равный нулю (равный потенциалу корпуса передатчика). Переходное устройство может также (как и в прототипе) выполнять функции согласования сопротивлений и перехода от симметричной схемы подключения излучателя к несимметричному выходу передатчика. Внутренние поверхности экранов кабелей 4 и 5 на других их концах соединены по их периметру с краями отверстий в корпусе объекта, закрытых заглушками 2 и 3 из диэлектрика, т.е. соединены с наружной проводящей поверхностью этого корпуса в точках, разнесенных на расстояние, меньшее половины длины волны, вследствие чего между этими точками будет иметь место разность потенциалов, а на внешней проводящей поверхности корпуса объекта будет возбуждаться ток, создающий поле излучения. В рассмотренной схеме возбуждения тока на внешней проводящей поверхности корпуса объекта предотвращено ответвление токов на внутреннюю поверхность корпуса и на наружные поверхности экранов питающих фидеров.

Выбирая длины отрезков кабелей 4 и 5 с учетом укорочения волны в них равными λ/4 на средней частоте диапазона, можно обеспечить достаточно хорошее согласование входа антенны с выходом передатчика как в случае, когда длина волны соизмерима с размерами корпуса объекта (в том числе и подбором расстояния между точками подключения фидеров и наружной поверхности корпуса), так и в случае, когда размеры корпуса объекта значительно меньше длины волны.

В невыступающей антенне по второму варианту (см. фиг. 2) симметричный выход передатчика подключен к внутренним проводам коаксиальных кабелей 4 и 5 на их входных концах, а на выходных концах этих кабелей внутренние провода соединены с краями отверстий в корпусе ниже дна заглушек 2 и 3 из диэлектрика, закрывающих эти отверстия, т.е. соединены с внешней проводящей поверхностью корпуса объекта в двух точках, разнесенных на расстояние, меньшее половины длины волны. Для предотвращения ответвления токов на внутреннюю поверхность корпуса и наружные поверхности экранов коаксиальных кабелей 4 и 5, отверстия закрыты со стороны внутреннего объема корпуса запорными четвертьволновыми закороченными на конце стаканами. Эти стаканы образованы цилиндрическими трубками из проводника 6 и 7 и наружными поверхностями экранов 8 и 9 кабелей 4 и 5. Верхние концы цилиндрических трубок из проводника 6 и 7 соединены по периметру с краями отверстий в корпусе, а нижние с наружной поверхностью экранов кабелей 4 и 5 на расстояниях λ/4 от концов этих кабелей, подключенных к наружной поверхности корпуса с учетом укорочения волны в коаксиальных кабелях, образованных наружными поверхностями 8 и 9 экранов кабелей 4 и 5 в качестве внутренних проводов и внутренними поверхностями цилиндрических трубок из проводника 6 и 7. Таким образом, возбуждение наружной проводящей поверхности корпуса объекта осуществляется практически также, как и в первом варианте устройства.

Можно рассмотреть работу предложенной антенны на следующем наиболее простом примере. Корпус объекта представим в виде цилиндpа, длина которого значительно больше его диаметра (приближенное представление, например, фюзеляжа самолета). Пусть длина этого цилиндра приблизительно равна половине длины волны. Если к поверхности такого цилиндра подключить с помощью симметричного фидера выход передатчика в двух точках, разнесенных вдоль его оси на одинаковые расстояния от середины, то будет создан вибратор с шунтовым питанием. Предложенное техническое решение позволяет осуществить подключение симметричного выхода передатчика, находящегося внутри такого цилиндра (вибратора), к двум разнесенным точкам на его внешней поверхности, причем сторонние токи будут обтекать только наружную поверхность вибратора. Кроме того, предложенные схемы подключения излучателя позволяют также полностью исключить влияние (как правило, отрицательно) фидерных токов на работу антенны. Путем соответствующего выбора расстояния между точками подключения можно получить хорошее согласование выхода передатчика с антенной. Диаграмма направленности такой антенны в свободном пространстве будет совпадать с диаграммой направленности полуволнового симметричного электрического вибратора.

Нет принципиальных ограничений возможности использования рассмотренной антенны в различных диапазонах частот. Практически же ее можно использовать, начиная с дециметрового диапазона вплоть до километровых и более длинных волн. Наибольший интерес представляет то, что предложенная антенна является широкополосной, причем рабочий диапазон ее расширяется в сторону длинных волн.

Используя предложенное техническое решение в качестве излучателя на проводящей поверхности, можно создать широкий класс антенн для различных диапазонов волн с различными электрическими характеристиками.

По достигаемому результату первый и второй варианты технического решения практически не различаются. Первый вариант проще (и дешевле) реализовать на более длинных волнах (от декаметровых до километровых и более длинных), так как в этом варианте используется более простая конструкция фидера. Кроме того, этот вариант является более широкополосным. При использовании второго варианта конструкция выхода передатчика (входа приемника) будет более простой. Однако этот вариант оказывается более узкополосным из-за запорного четвертьволнового "стакана".

Предлагаемое техническое решение может использоваться в радиосвязи с подвижными объектами, в том числе с самолетами и другими воздушными летательными аппаратами, обеспечивая эффективное излучение с борта этих объектов невыступающими достаточно широкополосными антеннами на длинах волн, которые соизмеримы с размерами объектов или больше их размеров, для осуществления скрытности размещения антенн на объектах.

Кроме того, при помощи предложенного устройства можно решать проблемы развязки между различными приемными и передающими устройствами на объекте, обеспечивать эффективное излучение в ДВ и других диапазонах без необходимости строить высокие мачты и т.д. Оно позволяет использовать в качестве излучателя проводящую поверхность объекта, у которого корпус представляет собой экран для установленного внутри оборудования, без необходимости выведения наружу фидерных устройств. Устройство применимо на любых современных летательных аппаратах (не только самолетах), не оказывая влияния на их аэродинамические и прочностные характеристики. Предложенное техническое решение позволяет создать невыступающую антенну на проводящей поверхности объекта практически любой формы, а также позволяет осуществить скрытность размещения антенны на объекте.

Использование: в радиотехнике, в частности в устройствах подвижных объектов, в том числе воздушных летательных аппаратов. Сущность изобретения: две точки внешней проводящей поверхности корпуса объекта, разнесенные на расстояние, меньшее половины длины волны, соединены двумя отрезками коаксиального кабеля с симметричным выходом передатчика (или с симметричным входом приемника) через отверстия в корпусе объекта, закрытые заглушками из диэлектрика. Два варианта схемы подключения симметричного выхода передатчика через переходное устройство, содержащее два трансформатора, к двум разнесенным точкам на внешней поверхности корпуса объекта исключает ответвление токов на внутреннюю поверхность корпуса объекта и на наружную поверхность экранов питающих фидеров и позволяет реализовать широкополосную невыступающую антенну на внешней проводящей поверхности объекта практически любой формы без необходимости включения в корпус изолирующих вставок, обеспечивающих эффективное излучение радиоволны с длинами, соизмеримыми с размерами корпуса или большими его размеров. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. НЕВЫСТУПАЮЩАЯ АНТЕННА НА ПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КОРПУСА ОБЪЕКТА содержащая два отрезка линии передачи, первые концы которых присоединены в двух разных точках к проводящей части корпуса объекта, а их вторые концы присоединены к входу переходного устройства, выход которого является выходом антенны, отличающаяся тем, что в проводящей части корпуса, в точках присоединения отрезков линии передачи, выполнены отверстия на расстоянии, меньшем λ/2, одно от другого, которые закрыты снаружи введенными диэлектрическими заглушками, а отрезки линии передачи представляют собой отрезки коаксиального кабеля длиной λ/4, где λ длина волны на средней частоте рабочего диапазона, присоединение их первых концов осуществлено соединением внешних проводников с краями отверстий, при этом центральные проводники обрезаны на уровне дна диэлектрических заглушек, переходное устройство содержит два трансформатора, каждый из которых помещен в свой экран, в каждом экране выполнены отверстия, с краями этих отверстий соединены внешние проводники вторых концов отрезков коаксиальных кабелей, а центральные проводники этих концов отрезков коаксиальных кабелей выведены через другие отверстия в экранах наружу и соединены один с другим, конец первичной обмотки первого трансформатора и начало первичной обмотки второго трансформатора соединены внутри экранов с центральными проводниками соответственно первого и второго отрезков коаксиальных кабелей, начало первичной обмотки первого и конец первичной обмотки второго трансформаторов соединены с внутренними поверхностями соответствующих экранов, концы вторичных обмоток первого и второго трансформаторов выведены через соответствующие отверстия в экранах, начало вторичной обмотки первого трансформатора и конец вторичной обмотки второго трансформатора являются выходом антенны, а другие концы вторичных обмоток первого и второго трансформатора соединены один с другим. 2. Невыступающая антенна на проводящей поверхности корпуса объекта, содержащая два отрезка линий передачи, первые концы которых присоединены к проводящей части корпуса объекта в двух разнесенных точках, отличающаяся тем, что в проводящей части корпуса, в точках присоединения отрезков линий передачи, выполнены отверстия на расстоянии, меньшем l/2, одно от другого, которые закрыты снаружи введенными диэлектрическими заглушками, а отрезки линий передачи выполнены в виде отрезков коаксиального кабеля длиной больше λ/4, где λ длина волны на средней частоте рабочего диапазона, со стороны первых концов на длине l/4 вместо внешней защитной оболочки на них коаксиально установлены введенные диэлектрические трубки, выполненные из диэлектрика, используемого в коаксиальном кабеле, а сверху цилиндрические проводящие стаканы, торцы которых с одной стороны соединены с краями отверстий в проводящей части корпуса, а с другой стороны на расстоянии λ_в/4, где λ_в длина волны в коаксиальном кабеле, соединены с внешними проводниками соответствующих отрезков коаксиальных кабелей, центральные проводники которых и первых концов присоединены к внутренней поверхности цилиндрических проводящих стаканов, ниже дна, диэлектрических заглушек, внешние проводники на первых концах отрезков коаксиальных кабелей обрезаны ниже дна диэлектрических заглушек, а вторые концы отрезков коаксиальных кабелей являются выходом антенны.