НЕСИММЕТРИЧНАЯ Г-ОБРАЗНАЯ ИЛИ Т-ОБРАЗНАЯ АНТЕННА Российский патент 1997 года по МПК H01Q11/04 

Изобретение относится к антенной технике, преимущественно к антеннам радиосвязи КВ и СВ диапазонов подвижных объектов, например, морских судов.

Известны несимметричные антенны с верхней нагрузкой, позволяющие увеличить электрическую длину и действующую высоту антенны, обеспечить более равномерное распределение тока в проводах антенного полотна, увеличить сопротивление излучения антенны уменьшением реальной составляющей верхнего сопротивления (Гавель Н.П. Истрашкин А.Д. Муравьев Ю.К. Серков В.П. Антенны. ВКАС, 1963, часть I; Вершков М.В. Миротворский О.Б. Судовые антенны. Л. Судостроение, 1990, с.109). Такие антенны наиболее близки к заявляемому техническому решению и принятый за прототип Г- и Т-обратной формы, подвешены между судовыми мачтами надстройками или специальными кронштейнами на различных высотах (фиг.1а), широко используются на судах и кораблях различного назначения и береговых постах связи.

Известны также Г-образные одно- и многопроводные антенны с верхней емкостной нагрузкой и верхним питанием (фиг.1б) и аналогичным размещением на судне, имеющие определенные преимущества перед антеннами (фиг.1а) по действующей высоте. Излучателем в этом случае, является надстройка, в верхней части которой должно быть размещено радиопередающее устройство (РПДУ), а сигнал подводится к точке соединения ее с нагрузкой и действующая высота антенны в первом приближении близка к геометрической высоте, т.е. больше, чем у антенны с нижним питанием.

Однако все проволочные антенны с верхней емкостной нагрузкой имеют основной и существенный недостаток большая протяженность полотна верхней емкостной нагрузки для достижения действующей высоты и достаточно высокой эффективности на нижних частотах СВ диапазона. Так, например, на судах главная антенна, работающая в СВ-диапазоне (λ 300 3000 м) должна иметь протяженность емкостной нагрузки 40 70 м при высоте антенны не менее 10 20 м. В судовых условиях реализовать антенну с такими размерами очень трудно, или вообще невозможно, из-за ограниченности свободного пространства для ее размещения. Кроме того, при большой протяженности горизонтальной части эти антенны имеют низкую надежность (возможны обрывы в штормовых условиях и при гололеде), неудобны в эксплуатации на транспортных судах (необходимость опускания и подъема антенны), высока возможность поражения токами высокой частоты. Особенно это ярко выражено в антеннах с верхней емкостной нагрузкой и верхним питанием (фиг.1б), при использовании которой, несмотря на то, что имеется выигрыш по действующей высоте, позволяющий несколько уменьшить горизонтальную часть антенного полотна (по сравнению с нижним питанием), но при этом резко возрастает опасность поражения токами высокой частоты, т.к. возбуждается сама надстройка. Кроме того, возможность размещения РПДУ СВ-диапазона непосредственно у входа антенны с верхней нагрузкой и верхним питанием представляется крайне редко, а при питании фидерной линией выигрыша по действующей высоте не получается.

Особенности архитектуры верхнепалубных устройств и большое разнообразие условий размещения проволочных антенн на пассажирских и транспортных судах современной постройки создают дополнительные трудности, возникающие при проектировании установки главных судовых антенн СВ диапазона, выдвигая при этом новые противоречивые требования к их разработке. В общем случае, одним из таких требований является достижение максимальной действующей высоты и сопротивления излучения, обеспечивающих достаточно высокую эффективность антенных устройств при минимальной протяженности горизонтального антенного полотна.

Целью изобретения является увеличение действующей высоты, сопротивления излучения и емкости несимметричных проволочных антенн Г- и Т-образных форм без увеличения горизонтальной протяженности верхней нагрузки.

Цель достигается тем, что у несимметричной проволочной антенны с верхней нагрузкой Г- и Т-образной формы, содержащей вертикальное снижение в виде одно-многолучевого полотна или жгута и одно-многолучевую нагрузку, установленную между двумя опорными устройствами с помощью изоляторов, подключенной входным фидером с одной из точек антенного полотна, согласно изобретению, в конце емкостной нагрузки в месте ее крепления к опорному устройству установлены один или система свободностоящих штыревых излучателей, изолированных от опорного устройства и электрически контактирующих с соответствующими проводами верхней нагрузки, при этом высота (H_шт) штыревых излучателей связана с длиной снижения (l_сн) соотношением
H_шт≅0,3 0,5 l_сн
Указанное соотношение определено опытным путем и является оптимальным в части достижения максимально возможных величин действующей высоты, сопротивлением излучения и емкости антенны при практически реализуемых габаритных размерах и конструкции антенного полотна предназначенного для размещения на судах большого и среднего водоизмещения. Это соотношение определялось исходя из следующих предпосылок, подтвержденных экспериментально:
а) в случае, если соотношение не удовлетворяется и Н_шт<0,3l_сн, то сопротивление излучения антенны мало и шунтируется сравнительно большой емкостью снижения, при этом передатчик не настраивается.

б) в случае, когда Н_шт=0,3 или больше l_ен в пределах конструктивной реализуемости этих параметров в условиях судна, на котором антенна устанавливается, электрическая схема антенного устройства аналогична антенне верхнего питания и поэтому имеет более равномерное распределение тока по снижению, и как следствие, большую действующую высоту и сопротивление излучения. При этом паразитное влияние емкости снижения сказывается в меньшей степени и величина сопротивления излучения оказывается достаточной для настройки радиопередатчика и обеспечения высокого КПД выходного каскада.

Так, например, в большинстве практических случаев позитивно можно решить поставленную задачу, конструктивно выполнить верхнюю нагрузку в виде штыревых излучателей или системы из них, установленных на электропроводной плите и выполненных из диэлектрических труб и стержней с заармированными металлическими проводниками, причем, штыри электрически должны быть соединены с проводами верхней емкостной нагрузки регулируемыми по месту металлическими перемычками и стянуты между собой стержнями.

В случаях, когда возможности размещения на судне антенных систем горизонтальной протяженности ограничены настолько, что верхняя нагрузка не обеспечивает настройку передатчика и требуемый КПД, целесообразно использовать следующие варианты схем настройки верхней нагрузки:
1. В основание штырей вводятся резистивные элементы, вход которых соединен с регулируемыми перемычками, а выход с металлическими проводниками штыревых излучателей.

2. Вместо резистивных элементов или дополнительно к ним вводятся согласующие блоки, собранные по лестничной согласующей схеме.

Величины резистивных элементов, конкретная схема построения верхней нагрузки и номиналы элементов L, С зависит от импедансных характеристик в местах включения нагрузки на конкретном судне и определяются экспериментально.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематическое изображение известных Г- и Т-образных антенн с верхней емкостной нагрузкой с нижним "а" и верхним "б" питанием, на фиг.2 - антенна с верхней нагрузкой; на фиг.3 второй вариант исполнения верхней нагрузки с включением резистивного элемента; на фиг.4 третий вариант исполнения верхней нагрузки с включением согласующих блоков "а" из резистивного элемента и катушки индуктивности; "б" из катушки индуктивности; "в" из LC-элементов, включенных по лестничной согласующей схеме.

Антенна (фиг.2) состоит из трехпроводного снижения, выполненного жгутом 1, соединяющегося с трехпроводной верхней емкостной нагрузкой 2, веернорасходящимися проводами снижения 3. Верхняя емкостная нагрузка 2 через цепочки из изоляторов 4, снабженные регулируемыми по месту перемычками 5 соединяется с опорным кронштейном 6 или 7 и одновременно, через регулируемые перемычки 5 с соответствующими штыревыми излучателями 8, установленными с помощью изоляторов 9 на электропроводной плите 10 и стянуты между собой стержнями 11.

На фиг.3 показана возможность дальнейшего увеличения положительного эффекта антенны с верхней нагрузкой в части сопротивления излучения и действующей высоты за счет введения в антенное полотно резистивного элемента 12, установленного в основании штыревых излучателей 8 внутри изолятора 9.

На фиг. 4а, 4б, 4в показаны возможности увеличения эффективности работы предлагаемого антенного устройства за счет резонансного согласования с помощью катушки индуктивности 13 (фиг. 4б), элементов RL 12, 13 (фиг. 4а) или согласующего блока из LC элементов, собранного по лестничной согласующей схеме 14 (фиг.4в). Питание осуществляется по входному фидеру 15.

Антенна работает следующим образом. Высокочастотный сигнал от радиопередающего устройства по входному фидеру 15, представляющему собой высокочастотную мачту или открытую проводку подается на снижение 1, на котором устанавливается распределение тока, характеризующееся рабочей частотой передатчика и входными характеристиками верхней нагрузки в соответствии с предлагаемыми схемами построения верхних нагрузок (фиг.2 4). Вновь введенная совокупность признаков по предлагаемым схемам позволяет реализовать существенный выигрыш по сопротивлению излучения и действующей высоте за счет нового, оптимального распределения тока по антенному полотну и существенно увеличивает излучающую способность антенного устройства, т.к. помимо увеличения емкости антенны и улучшения распределения тока по снижению, вертикальная часть предлагаемых верхних нагрузок вносит свой непосредственный вклад в величины действующей высоты и сопротивление излучения антенного устройства в целом.

В практике последних лет велись разработки несимметричных антенн с верхней нагрузкой повышенной эффективности. Такие антенны получили название Г- и Т-образных антенн с излучающей верхней емкостной нагрузкой, которые в отличие от обычной антенны такого типа, у которых верхняя нагрузка (горизонтальная часть) не излучает, а только перераспределяет ток по снижению, являются более эффективны и, кроме тог,о из-за открывшихся возможностей значительного сокращения протяженности горизонтальной части имеет существенно большие возможности использования на судах. Экспериментально установлено, что такая антенна, в частности, в 1-ом варианте выполнения верхней нагрузки, по сравнению с прототипом дают выигрыш по эффективности в 2 раза при одной и той же протяженности горизонтальной части антенного полотна и длины снижения (прототип). Описание работы таких антенн оказалось бы неполным, особенно с включением резистивных элементов, если не акцентировать внимание на том, что использование резистивных элементов в предлагаемой схеме построения антенны, в частности в варианте 2, не влечет за собой заметного снижения КПД Г- и Т-образных антенных устройств, т.к. при включении их в конце антенного полотна большая часть его обтекается током высокой частоты до того, как последний попадает на резистивные элементы и, следовательно, потери на излучение привалируют над тепловыми потерями, уменьшающими КПД по типу антенн бегущей волны, например, ромбических.

Использование: судовые антенны для систем радиосвязи КВ и СВ диапазонов. Сущность изобретения: в несимметричной Г- или Т-образной антенне в многолучевое полотно емкостной нагрузки введены вертикальные гибвери, длина которых выбрана из предложенного соотношения. Достигаются уменьшение протяженности горизонтального полотна и вертикального снижения и увеличение действующей высоты антенны, т.е. повышение эффективности излучения при уменьшении габаритов антенны. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Несимметричная Г-образная или Т-образная антенна, содержащая вертикальное снижение, выполненное по крайней мере из одного провода и подключенное к фидеру, и верхнюю нагрузку, состоящую из по крайней мере одного проводника и установленную между двух опор посредством изоляторов, отличающаяся тем, что введен по крайней мере один вертикальный штырь, присоединенный к соответствующему проводу верхней нагрузки и изолированный от опоры, при этом высота штыря Н_шт выбрана из соотношения Н_шт ≅ (0,3 0,5) l_сн, где l_cн длина вертикального снижения. 2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что каждый штырь выполнен в виде диэлектрической трубы или стержня с заармированными внутрь проводниками, установлен на проводящей плите и электрически соединен с проводами верхней нагрузки металлическими перемычками регулируемой длины, причем штыри стянуты между собой стержнями. 3. Антенна по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что введены резистивные элементы, включенные между основанием штырей и неметаллическими перемычками. 4. Антенна по пп. 1 3, отличающаяся тем, что введены согласующие блоки из R-L-C-элементов, соединенных по лестничной схеме и подключенных к основанию штырей.