ВЕРТОЛЕТНОЕ АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО КВ (СВ)-ДИАПАЗОНА ВОЛН Российский патент 1997 года по МПК H01Q1/26 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике коротких и средних волн (КВ-СВ), и может быть использовано при эксплуатации вертолетов в северных широтах страны.

Известны антенные устройства, размещаемые на борту вертолета, предназначаемые для связи летательного аппарата в диапазоне (КВ-СВ) с пунктами управления воздушным движением (УВД), содержащие антенну электрического типа, согласующее устройство и источник питания (генератор). Например: 1) шлейфовая антенна (Г. Б. Резников "Самолетные антенны", "Советское радио", изд-во Москва, 1962, с. 35), 2) выпускная проволочная антенна патент N709782, 1962, Англия; патент США N3823402, 1974, кл. Н01Q1/30.

Однако первое из указанных устройств имеет малую действующую высоту h_д в диапазоне, а следовательно, и малое сопротивление излучения (R_Σ), что ведет к необходимости повышения подводимой мощности генератора (P₂) для поддержания устойчивой связи в условиях больших ионосферных возмущений Севера.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по достижимому результату является второе устройство выпускная проволочная антенна, но и это устройство мало эффективно в условиях севера. Кроме того, на случай вынужденной посадки, для осуществления связи с земли, выпускную антенну требуется подвесить на опоры (мачту), которых может не оказаться при сложившихся обстоятельствах.

Целью изобретения является повышение излучательных характеристик вертолетной антенны электрического типа (КВ, СВ) диапазонов и ее эксплуатационных свойств.

Цель достигается тем, что антенна выполнена в виде системы, состоящей из 2n или (2n +I) штыревых излучателей, размещенных на одной консоли в линию попарно и симметрично относительно центральной точки линии или одиночного центрального штыревого излучателя, соответственно, расстояния между штыревыми излучателями в симметричных парах определятся выражением dn=nd₁ при любых значениях d₁/λ<1
где
n целое число,
d₁ расстояние между излучателями в первой ближайшей к центру паре,
λ длина электромагнитной волны. Консоль размещена на хвостовой балке вертолета и снабжена поворотным устройством, обеспечивающим поворот штыревых излучателей в вертикальной плоскости из нижнего положения в верхнее, а в согласующее устройство (СУ) введен блок изменения величин и фаз тока (ВФТ) в излучателях. Согласующее устройство вместе с блоком ВФТ могут быть выполнены как на основе обычной (резистивной) проводимости тока, так и на основе использования эффекта высокотемпературной сверхпроводимости тока (ВТСП).

В предложенном устройстве каждый излучатель системы представляет собой элементарный вибратор с равномерным распределением тока. Длина излучателя (l_изл.) выбирается примерно равной длине вертикальной проекции (l_h) выпускной проволочной антенны при скорости полета вертолета V-300 км/ч. Горизонтальная проекция (l_Г) не участвует в излучении, поскольку электромагнитные поля в дальней зоне, создаваемые составляющей (l_Г) и ее зеркальным изображением противофазны.

Из отношений
где
l_пров. длина выпускной антенны может быть определено целое число "h" и число всех излучателей системы соответственно: 2n или (2n + I).

При допущении, что в каждом излучателе протекает некоторый равномерно распределенный средний ток и, учитывая взаимное наведение дополнительного сопротивления излучения в каждом из них, общее сопротивление излучения такой системы (R_ΣA) будет равно:

где
сопротивление излучения одиночного излучателя.

С повышением сопротивления излучения в (2n + I)² раз - соответственно повышается и мощность излучения при том же токе в антенне
R_ΣA=I2A

•R_ΣA
"Расчленение" мнимой выпускной антенны и преобразование всей ее длины в 2n или (2n + I) излучателей, расположенных и запитываемых известным способом, дает определенное повышение и коэффициента полезного действия антенны (ηA)

где
R_пA сопротивление потерь в системе излучателей,

где
сопротивление потерь в одном излучателе.

Следовательно, можно записать:

Принимая во внимание, что на средних волнах то

где
η′ КПД антенны, состоящей из одного излучателя. Т.о. КПД системы излучателей (η_A) повышается в (2n + I) раза относительно КПД одиночного излучателя (или относительно выпускной антенны, так как в (2n + I) раза,
где
R_ппров. потери в проводе выпускной антенны. Но повышение η_A означает повышение тока антенны (I_A) при одной и той же подводимой мощности, что также ведет к повышению мощности излучения P_ΣA Примерно в такое же число раз (2n +I) больше запасается реактивной мощности в системе излучателей, чем в одиночном излучателе при одном и том же напряжении на их входе. Это повышает эксплуатационные свойства антенны в условиях высотности:

где
мощность и реактивное сопротивление одного излучателя,

При этом в диапазоне средних волн. Симметричное распределение пар излучателей антенны на одной линии дает возможность формировать направленное излучение поля. Для этого в предложенном устройстве при выбранном числе пар (n), базисном расстоянии (d₁) и с помощью известного блока изменения величин и фаз токов в парах (ВФТ), введенного в согласующее устройство, имеется возможность осуществлять распределение тока и изменение фаз в антенне.

Направленное излучение также способствует повышению излучательных характеристик антенны.

Диаграмма направленного излучения поля представляется равенством:

где
A₀ относительная амплитуда тока в одиночном (центральном) излучателе;
A_n относительная амплитуда тока в каждой паре;
базисное расстояние антенн в длинах волны, которое может быть любым числом, удовлетворяющим условию d₁/λ < 1;
Φ_n разность фаз в излучателях n-ой пары;
β угол направленности, измеряемый относительно перпендикуляра к линии размещения пар, проходящего через центр линии;

Равенство (2) представляет собой ряд Фурье, каждый член которого определяется величиной и фазой тока в одной паре излучателей антенны.

Поворотным устройством консоли осуществляется перевод антенны из обычного нижнего вертикального положения в верхнее, для осуществления радиосвязи с земли при вынужденных посадках вертолета, что определяет повышение эксплуатационных свойств вертолетной антенны.

На фиг. 1 показан общий вид вертолетного антенного устройства; на фиг. 2 блочная схема антенной системы; на фиг. 3 принципиальная электрическая схема.

Для примера принят вариант обычной проводимости тока с числом излучателей 2•n, n=3.

Базовое расстояние (расстояние между первой парой) d₁=1 м.

Диапазон рабочих частот: f=(300-600) кГц.

Устройство содержит:
систему симметрично распределенных пар излучателей 1,
консоль 2;
поворотное устройство 3;
согласующее устройство 4;
блок изменения величин и фаз тока (ВФТ) 5;
криостат согласующего устройства 6 (для варианта ВТСП),
источник питания (генератор) 7,
летательный аппарат (в качестве противовеса антенны) 8.

Все пары излучателей 1 выполнены из дюралевой трубки диаметром ф 20 мм. Длина каждого из них составляет l 1,5 3 м.

Консоль 2 предназначена для размещения излучателей, выполнена из дюралевой трубки диаметром ф 60 мм, длиной 4 м, имеет диэлектрические гнезда для установки и крепления излучателей.

Поворотное устройство 3 имеет два шкива и тросовую передачу вращательного движения. Один из шкивов соединен с консолью2, а другой укреплен на кронштейне внутри корпуса вертолета 8.

Согласующее устройство 4, блок изменения величин и фаз тока (ВФТ) 5, криостат 6 (для варианта ВТСП) конструктивно объединены и составляют единый блок. Летательный аппарат 8 одновременно служит противовесом антенного устройства.

Устройство работает следующим образом.

Перед включением источника питания (генератора)7 все регулировки величин и фаз тока блока (ВФТ) 5 устанавливаются в исходное положение, т.е. токи во всех излучателях должны быть одной величины, а сдвиг по фазе между ними всюду равен "нулю".

На генераторе 7 устанавливается рабочая частота (f) и подается минимальное напряжение на антенну. С помощью согласующего устройства 4 антенна настраивается в резонанс на выбранную частоту.

После настройки устанавливается рабочее напряжение на антенне, а затем, используя табличные данные распределения токов и фаз в излучателях системы для соответствующей диаграммы направленности (ДН), эти токи и фазы устанавливаются в соответствующих парах излучателей антенны с помощью блока 5.

В принятом варианте диаграмма направленности (ДН) слабо направленная, симметричная относительно линии размещения излучателей.

Расчет основных параметров антенного устройства произведен по формулам:

где
C_АЭ эквивалентная емкость антенны,
С_ЛА статическая емкость летательного аппарата




Q_АК приблизительно 300
Q_АК добротность антенного контура
R_вх= R_nA+R_ΣA (ом);

U_A= X_AI2A

;

P_ΣA = I2A•R_ΣA

Результаты расчета помещены в таблицу.

Использование предложенного устройства "Вертолетное антенное устройство" обеспечивает по сравнению с существующим устройством следующие преимущества:
повышается мощность излучения в квадрат числа излучателей раз, а коэффициент полезного действия в число излучателей раз,
дает возможность формировать диаграмму направленного излучения (ДН),
упрощается эксплуатация устройств в наземных условиях,
отсутствует специальное устройство для выпуска и уборки антенны.

Экономический эффект в результате использования предложенного устройства будет зависеть от объема и серийного производства.

Изобретение относится к антенной технике коротких и средних волн (КВ-СВ) и может быть использовано при эксплуатации вертолетов в северных широтах страны. Антенна отличается значительным повышением излучательных характеристик и своих эксплуатационных свойств. Новым в предложенном устройстве является то, что антенна выполнена в виде системы, состоящей из 2n (2n +1) одинаковых излучателей, размещенных в линию на одной консоле попарно и симметрично относительно центра линии или одиночного центрального штыревого излучателя. Имеется возможность комбинации запитки каждой симметричной пары излучателей разными по величине и фазе токами. Консоль, размещенная на хвостовой балке вертолета, снабжена поворотным устройством для осуществления поворота антенны в вертикальной плоскости на 180^o. 3 ил., 1 табл.

Вертолетное антенное устройство КВ (СВ)-диапазона волн, содержащее антенну электрического типа, согласующее устройство, отличающееся тем, что антенна выполнена в виде системы, состоящей из 2n или 2n + 1 штыревых излучателей, размещенных на одной консоли в линию попарно и симметрично относительно центральной точки линии или одиночного центрального штыревого излучателя, соответственно, расстояния между штыревыми излучателями в симметричных парах определены выражением d_n nd₁ при любых значениях d₁/λ<1, где n целое число, d₁ расстояние между штыревыми излучателями в первой ближайшей к центру паре, λ - длина электромагнитной волны, консоль размещена на хвостовой балке вертолета и снабжена поворотным устройством, обеспечивающим поворот штыревых излучателей в вертикальной плоскости из нижнего положения в верхнее, а в согласующее устройство введен блок изменения величин и фаз тока в штыревых излучателях.