АНТЕННА ШТЫРЕВАЯ ДИАПАЗОННАЯ МОБИЛЬНАЯ Российский патент 2004 года по МПК H01Q9/34 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к антенной технике и предназначено преимущественно для мобильных (передвижных) приемопередающих радиоузлов декаметрового диапазона частот.

Известны антенны для мобильных приемопередающих радиоузлов, обеспечивающие достаточно высокие технологические (быстрое развертывание-свертывание антенны) и прочностные (ветроустойчивость, количество циклов развертывания/свертывания до списания и т.д.) характеристики: "штырь 10 м" ([1], с. 79), "Z-образная " ([1], с. 86, 87), "наклонный луч" ([1], с. 85).

Однако эти антенны с точки зрения электрических параметров характеризуются:

- очень узким диапазоном частот Δf, в котором антенна сохраняет свои параметры постоянными: Δf=(0,005÷0,01)f_p, где f_p - рабочая частота;

- низким значением коэффициента усиления (КУ) в диапазоне рабочих частот (вдоль земли, в том числе), КУ=(0,03÷0,05) [1];

- значительным диапазоном изменения активной и реактивной составляющих входного сопротивления:

- для антенны "штырь 10 м" Rа=(2,0-1000) Ом, Ха=(минус 2000÷плюс 200) Ом;

- для "Z-образных" антенн- Rа=(10-90) Ом, Ха=(минус 1200÷минус 50) Ом;

- для антенны "Наклонный луч" Rа=(30-3000) Ом, Ха=(плюс 1400÷минус 2400) Ом,

что приводит к необходимости применять дорогие и сложные антенно-согласующие устройства, в которых точное измерение характеристик и согласование антенны обеспечивается при значительном увеличении времени настройки [2].

Другим недостатком этого класса антенн является зависимость характеристик антенн от электрофизических параметров почвы, на которой размещается антенна. Этот недостаток для вертикальных антенн (штыревых и “Z-образных” антенн в том числе) преодолевается с помощью большого количества противовесов(80-120 шт.) длиной равной, (0,3÷1)λ_макс, где λ_макс - максимальная длина волны диапазона рабочих частот, причем эти противовесы должны равномерно размещаться вокруг антенны с заглублением на (20-30)см от поверхности земли ([3], с. 212).

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является стационарная антенна штыревая, содержащая бетонированное основание, соединенное механически с цельнометаллической (стальной или дюралюминиевой) решетчатой мачтой высотой h через изолятор опорный, мачта удерживается в вертикальном положении системой оттяжек, выполненных из секционированного изоляторами стального троса, на высоте h/3 от поверхности земли на мачте закреплены N радиально расходящихся от мачты изолирующих штанг, к концам которых, являющихся точками перегиба, прикреплены N рабочих полотен антенны, выполненных из антенного канатика диаметром (4-6) мм и размещенных вдоль образующих двух сопряженных своими основаниями разновысотных прямых конусов, верхние и нижние концы N рабочих полотен механически соединены через изоляторы с вершиной и основанием цельнометаллической мачты антенны соответственно, при этом верхние и нижние концы N рабочих полотен антенны электрически объединены верхним и нижним собирательными кольцами соответственно, нижнее собирательное кольцо является первой точкой питания антенны, а второй точкой питания антенны являются противовесы, радиально расходящиеся от антенны ([4], с.306, рис.9-56).

Однако и эта антенна, наряду с тем, что она не мобильна, характеризуется наличием внутри рабочей зоны, образованной N рабочими полотнами антенны, массивной цельнометаллической мачты высотой h, переизлучающей возбуждаемое антенной электромагнитное поле и, таким образом, искажающей его, а также имеющей ограниченный диапазон рабочих частот, так как для рабочих частот с длиной волны λ_p ≥ 4h/3 коэффициент усиления этой антенны вдоль земли резко уменьшается [5]. Этот эффект объясняется тем, что при увеличении рабочей частоты в нижней части антенны появляется участок длиной l₁ ≥ h/3 с противоположным направлением тока относительно основного направления тока в верхнем участке антенны длиной l₂ ≤ 2h/3.

При дальнейшем увеличении рабочей частоты f_p и уравнивании участков l₁ и l₂ (l₁=l₂, т.е. λ_р=h) излучение вдоль земли отсутствует полностью ([5], с.31, 32, рис. 2.3 г, 2.3 д).

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности излучения вдоль земли мобильной приемопередающей антенны декаметрового диапазона частот.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известной антенне, содержащей основание антенны, механически соединенное с мачтой антенны высотой h через изолятор опорный, N рабочих полотен антенны, выполненных из антенного канатика и размещенных вдоль образующих линий двух сопряженных своими основаниями разновысотных прямых конусов, верхние и нижние концы N рабочих полотен антенны механически соединены с вершиной и основанием мачты антенны, при этом точки перегиба N рабочих полотен антенны геометрически размещены на окружности оснований двух разновысотных прямых конусов, верхние и нижние концы N рабочих полотен антенны электрически объединены верхним и нижним собирательными кольцами соответственно, при этом нижнее собирательное кольцо является первой точкой питания антенны, а второй точкой питания антенны являются электрически объединенные концы противовесов, равномерно размещенных вокруг антенны, мачта в вертикальном положении удерживается оттяжками из стального тросика, секционированного изоляторами, и заканчивающихся регулировочным лаглинем, введен подъемник мачты, каждое из N рабочих полотен антенны рассечено на высоте 2h/3 и в получившийся разрыв электрически включена комплексная согласующая нагрузка, состоящая из параллельно соединенных безиндуктивного резистора и катушки индуктивности, точки перегиба рабочих полотен антенны механически соединены с оттяжками, мачта антенны выполнена разъемной и состоящей из М колен, при этом колено мачты выполнено в виде металлической трубы и диэлектрического наконечника с проточкой, обеспечивающего механическое соединение колен мачты между собой и электрически изолирующего одно колено мачты от другого, подъемник мачты содержит стойку подъемника, состоящую из трех дополнительных колен, каждое из которых, также, как и колено мачты, состоит из металлической трубы и диэлектрического наконечника с проточкой, первое нижнее дополнительное колено стойки подъемника своей нижней частью механически соединено с изолятором опорным, в геометрическом центре первого дополнительного колена стойки к нему прикреплена тяговая лебедка с тросиком, проходящим через шкив, закрепленный в верхней части первого дополнительного колена стойки подъемника, ко второму концу тросика лебедки прикреплен стаканчик подъемника, а ниже шкива на первом дополнительном колене стойки подъемника закреплен фиксирующий механизм подъемника; второе дополнительное колено стойки подъемника содержит прикрепленные к его металлической трубе ступеньки, а третье дополнительное колено подъемника содержит разнесенные по высоте втулки, через которые, так же, как и через фиксирующий механизм подъемника, проходит мачта антенны, опирающаяся на нижний стакан с серьгами, дно которого является верхним основанием изолятора опорного, к серьгам нижнего стакана карабинами крепятся нижние концы N рабочих полотен антенны, верхние концы которых карабинами крепятся к фланцу верхнего стакана, закрепленного на вершине мачты антенны, оттяжки своими верхними карабинами механически соединяются с мачтой антенны и стойкой подъемника с помощью лацмена, содержащего фланец разрезной, входящий в проточку диэлектрических наконечников колен мачты и третьего дополнительного колена стойки подъемника, и крюк двойной с серьгой; противовесы размещены равномерно вокруг основания антенны и выполнены в виде дорожек шириной (50-60) см, сотканных из изолированных проводов длиной (0,3-0,5)λ_макс, где λ_макс максимальная длина волны принимаемого (излучаемого) радиосигнала; концы всех проводов противовесов объединены электрически и являются второй точкой питания антенны.

Сопоставительный анализ заявленного решения показывает, что предмет изобретения отличается тем, что введен подъемник мачты, каждое из N рабочих полотен антенны рассечено на высоте 2h/3 и в получившийся разрыв электрически включена комплексная согласующая нагрузка, состоящая из параллельно соединенных безиндуктивного резистора и катушки индуктивности, точки перегиба рабочих полотен механически соединены с оттяжками, мачта антенны выполнена разъемной и состоящей из М колен, при этом колено мачты выполнено в виде металлической трубы и диэлектрического наконечника с проточкой, обеспечивающего механическое соединение колен мачты между собой и электрически изолирующего одно колено мачты от другого, подъемник содержит стойку подъемника, состоящую из трех дополнительных колен, которые также, как и колено мачты, состоят из металлической трубы и диэлектрического наконечника с проточкой, первое нижнее дополнительное колено стойки подъемника своей нижней частью механически соединено с изолятором опорным, в геометрическом центре первого дополнительного колена стойки к нему прикреплена тяговая лебедка с тросиком, проходящим через шкив, закрепленный в верхней части первого дополнительного колена стойки подъемника, ко второму концу тросика лебедки прикреплен стаканчик подъемника, а ниже шкива на первом дополнительном колене стойки подъемника закреплен фиксирующий механизм подъемника; второе дополнительное колено стойки подъемника содержит прикрепленные к его металлической трубе ступеньки, а третье дополнительное колено подъемника содержит разнесенные по высоте втулки, через которые, так же, как и через фиксирующий механизм подъемника, проходит мачта антенны, опирающаяся на нижний стакан с серьгами, дно которого является верхним основанием изолятора опорного, к серьгам нижнего стакана карабинами крепятся нижние концы N рабочих полотен антенны, верхние концы которых карабинами крепятся к фланцу верхнего стакана, закрепленного на вершине мачты антенны, оттяжки своими верхними карабинами механически соединяются с мачтой антенны и стойкой подъемника с помощью лацмена, содержащего фланец разрезной, входящий в проточку диэлектрических наконечников колен мачты и третьего дополнительного колена стойки подъемника, и крюк двойной с серьгой; противовесы размещены равномерно вокруг основания антенны и выполнены в виде дорожек шириной (50-60) см, сотканных из изолированных проводов длиной (0,3-0,5)λ_макс, где λ_макс - максимальная длина волны принимаемого (излучаемого) радиосигнала; концы всех проводов противовесов объединены электрически и являются второй точкой питания антенны.

На фиг.1 представлена схема антенны штыревой диапазонной мобильной (АШДМ); на фиг.2 - подъемник мачты; на фиг.3 – нижний стакан с серьгами; на фиг.4 - колено мачты и лацмен; на фиг.5 - верхний стакан с фланцем.

АШДМ содержит основание 1 антенны, противовесы 2 антенны, изолятор 3 опорный, подъемник 4 мачты, мачту 5 антенны, выполненную разъемной и содержащей М колен 6 мачты, такелаж 7 антенны (оттяжки из стального тросика, секционированные изоляторами), N рабочих полотен 8 антенны, нагрузку 9 комплексную согласующую, стакан 10 верхний с фланцем, кольцо 11 собирательное верхнее, подъемник 4 мачты 5 содержит стойку 12, состоящую из трех дополнительных колен: первого (нижнего) дополнительного колена 13 с закрепленной на нем тяговой лебедкой 14, шкивом 15, размещенным на верхней части первого дополнительного колена 13, тросом 16, проходящим через шкив 15, вторым своим концом прикрепленными к стаканчику 17 подъемника 4, фиксирующий механизм 18 подъемника 4, шарнирно соединенным с первым дополнительным коленом 13 и размещенным ниже шкива 15; второго дополнительного колена 19 подъемника 4 со ступеньками; третьего дополнительного колена 20 подъемника 4 с направляющими втулками 21; нижний стакан 22 с серьгами, кольцо 23 собирательное нижнее, являющееся первой точкой питания антенны, лацмен 24, содержащий фланец 25 разрезной и крюк 26 двойной с серьгой; колено 6 мачты 5 состоит из трубы 27 и наконечника 28 диэлектрического с проточкой, оттяжки 7, также, как и N рабочих полотен 8 антенны, соединяются механически с серьгами и фланцем верхнего стакана 10 при помощи карабинов 29, верхние концы N рабочих полотен 8 антенны электрически объединены кольцом 11 собирательным верхним.

Необходимость секционирования мачты 5 и стойки 12 подъемника 4 наконечниками 28 диэлектрическими обусловлена возникновением под воздействием ветровых нагрузок в элементах составной мачты, выполненных из металлических колен, контактных широкополосных помех ([5], с.65-69).

Антенна устанавливается расчетом из 5-ти человек следующим образом. После установки подъемника 4 и его фиксации оттяжками 7 верхние колена 6 мачты 5 через фиксирующий механизм 18 и направляющие втулки 21 подаются вверх, один человек из состава расчета, поднявшись по ступенькам подъемника с рабочими полотнами 8, устанавливает на вершине мачты 5 стакан 10 верхний с фланцем, соединяет полотна 8 карабинами 29 с фланцем стакана 10 и подключает полотна 8 к кольцу 11 собирательному верхнему, другой человек из состава расчета, находящийся внизу, с помощью тяговой лебедки 14, подставляя колено 6 и подводя стаканчик 17 подъемника 4 под низ этого колена, поднимает мачту 5 до тех пор, пока над верхней направляющей втулкой 21 не появится место закрепления оттяжек 7 верхнего яруса, которые соединяются с фланцем 25 и серьгой крюка 26, входящих в состав лацмена 24 карабинами 29, причем фланец 25 вставляется в проточку наконечника 28 диэлектрического и замыкается крюком 26. Мачта 5 в процессе подъема удерживается фиксирующим механизмом 18 подъемника 4. Три человека из состава расчета, разобрав оттяжки 7, расходятся к местам их крепления к грунту. Таким же образом закрепляются оттяжки 7 нижнего яруса крепления, после чего мачта 5 собирается полностью и устанавливается в нижний стакан 22, за серьги которого закрепляются с помощью карабинов нижние концы полотен 8, электрически объединяющиеся с помощью кольца 23 собирательного нижнего. Вся конструкция собирается в вертикальном положении и фиксируется при помощи регулировочных лаглиней оттяжек 7. Противовесы, выполненные в виде дорожек шириной (50-60) см и намотанные на барабаны, разматываются и соединяются с основанием антенны, образуя вторую точку питания антенны.

Сравнительные испытания макета АШДМ и серийной антенны ВГДШ ([1], с. 15, 16) и штыревой антенны ([1], с.79), показали, что

- для диапазона рабочих частот (2-30) МГц с 57-ю контрольными точками (шаг по частоте -0,5 МГц) относительное количество частот, на которых настройка АНСУ происходила за 1 шаг (50 мс), составляет для АШДМ - 58%, для ВГДШ - 2%; для штыревой антенны - 12%;

- по КБВ макет АШДМ уступает серийным антеннам только в двух точках диапазона (6-7) МГц, превосходя их по КБВ в 1,5-2 раза в оставшихся 55-ти точках диапазона рабочих частот (2-30) МГц.

На фиг.6-10 приведены сравнительные характеристики (активная составляющая сопротивления антенны R_А, реактивная составляющая сопротивления антенны JХ_А, коэффициент бегущей волны-КБВ) трех типов антенн высотой h=20 м, полученные в результате моделирования для диапазонов рабочих частот (1,5-30) МГц и (1,5-5) МГц:

- “штырь 20 м”, диаметр штыря 50 мм;

- АШДМ с комплексной согласующей нагрузкой (КСН) 9;

- АШДМ без КСН 9;

и диаграммы направленности в вертикальной плоскости сравниваемых вариантов исполнения антенн АШДМ на частотах(5-30) МГц с шагом 5 МГц.

Литература

1. Захаров В.П., Левчук П.Ф., Муравьев Ю.К. и др. Характеристики антенн для радиосвязи./Под ред. Ю.К. Муравьева. - Л.: Изд. ВКАС, 1968, с.130.

2. Лузан Ю.С., Маренко В.Ф., Богданов А.В. и др. Согласование передающих антенн декаметрового диапазона. Сборник докладов технологического конгресса “Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения”. - Омск: Изд. ОмГТУ, 2001, с.280-283.

3. Айзенберг Г.З. и др. Коротковолновые антенны. - М.: Радио и Связь, 1985, с.536.

4. Мейнке X., Гундлах Ф. Радиотехнический справочник. Пер. с нем. т.1. - М.-Л.: ГЭИ, 1961, с.416.

5. Белоцерковский Г.Б. Антенны. - М.: Сов. Радио, 1969, с.328.

6. Виноградов Е.М., Винокуров В.И., Харченко И.П. Электромагнитная соместимость радиоэлектронных средств. - Л.: Судостроение, 1986, с.264.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к антенной технике и предназначено преимущественно для мобильных (передвижных) приемопередающих радиоузлов декаметрового диапазона частот. Техническим результатом является повышение эффективности излучения вдоль земли мобильной приемопередающей антенны декаметрового диапазона частот. Антенна штыревая диапазонная мобильная (АШДМ) содержит основание антенны, механически соединенное с мачтой антенны высотой h и подъемником мачты через изолятор опорный, n рабочих полотен антенны, выполненных из антенного канатика, размещены вдоль образующих линий двух сопряженных своими основаниями разновысотных прямых конусов, верхние и нижние концы N рабочих полотен антенны электрически объединены верхним и нижним собирательными кольцами соответственно, при этом нижнее собирательное кольцо является первой точкой питания антенны, а второй точкой питания антенны являются электрически объединенные концы противовесов, равномерно размещенных вокруг антенны, мачта в вертикальном положении удерживается оттяжками из стального тросика, секционированного изоляторами, и заканчивающихся регулировочным лаглинем, каждое из N рабочих полотен антенны рассечено на высоте 2h/3 и в получившийся разрыв электрически включена комплексная согласующая нагрузка, состоящая из параллельно соединенных безиндуктивного резистора и катушки индуктивности, мачта антенны выполнена разъемной и состоящей из М колен, при этом колено мачты выполнено в виде металлической трубы и диэлектрического наконечника с проточкой, обеспечивающего механическое соединение колен мачты между собой и электрически изолирующего одно колено мачты от другого, противовесы размещены равномерно вокруг основания антенны и выполнены в виде дорожек шириной (50-60) см, сотканных из изолированных проводов длиной (0,3-0,5)λ_макс. 10 ил.

Антенна штыревая диапазонная мобильная, содержащая основание антенны, механически соединенное с мачтой антенны высотой h через изолятор опорный, N рабочих полотен антенны, выполненных из антенного канатика и размещенных вдоль образующих линий двух сопряженных своими основаниями разновысотных прямых конусов, верхние и нижние концы N рабочих полотен антенны механически соединены с вершиной и основанием мачты антенны, при этом точки перегиба N рабочих полотен антенны геометрически размещены на окружности оснований двух разновысотных прямых конусов, верхние и нижние концы N рабочих полотен антенны электрически объединены верхним и нижним собирательными кольцами соответственно, при этом нижнее собирательное кольцо является первой точкой питания антенны, а второй точкой питания антенны являются электрически объединенные концы противовесов, равномерно размещенных вокруг антенны, мачта в вертикальном положении удерживается оттяжками из стального тросика, секционированного изоляторами, и заканчивающихся регулировочным лаглинем, отличающаяся тем, что введен подъемник мачты, каждое из N рабочих полотен антенны рассечено на высоте 2h/3 и в получившийся разрыв электрически включена комплексная согласующая нагрузка, состоящая из параллельно соединенных безиндуктивного резистора и катушки индуктивности, точки перегиба рабочих полотен антенны механически соединены с оттяжками, мачта антенны выполнена разъемной и состоящей из М колен, при этом колено мачты выполнено в виде металлической трубы и диэлектрического наконечника с проточкой, обеспечивающего механическое соединение колен мачты между собой и электрически изолирующего одно колено мачты от другого, подъемник мачты содержит стойку подъемника, состоящую из трех дополнительных колен, каждое из которых, также как и колено мачты, состоит из металлической трубы и диэлектрического наконечника с проточкой, первое нижнее дополнительное колено стойки подъемника своей нижней частью механически соединено с изолятором опорным, в геометрическом центре первого дополнительного колена стойки к нему прикреплена тяговая лебедка с тросиком, проходящим через шкив, закрепленный в верхней части первого дополнительного колена стойки подъемника, ко второму концу тросика лебедки прикреплен стаканчик подъемника, а ниже шкива на первом дополнительном колене стойки подъемника закреплен фиксирующий механизм подъемника, второе дополнительное колено стойки подъемника содержит прикрепленные к его металлической трубе ступеньки, а третье дополнительное колено подъемника содержит разнесенные по высоте втулки, через которые так же, как и через фиксирующий механизм подъемника, проходит мачта антенны, опирающаяся на нижний стакан с серьгами, дно которого является верхним основанием изолятора опорного, к серьгам нижнего стакана карабинами крепятся нижние концы N рабочих полотен антенны, верхние концы которых карабинами крепятся к фланцу верхнего стакана, закрепленного на вершине мачты антенны, оттяжки своими верхними карабинами механически соединяются с мачтой антенны и стойкой подъемника с помощью лацмена, содержащего фланец разрезной, входящий в проточку диэлектрических наконечников колен мачты и третьего дополнительного колена стойки подъемника, и крюк двойной с серьгой, противовесы размещены равномерно вокруг основания антенны и выполнены в виде дорожек шириной (50-60) см, сотканных из изолированных проводов длиной (0,3-0,5)λ_макс, где λ_макс - максимальная длина волны принимаемого (излучаемого) радиосигнала, концы всех проводов противовесов объединены электрически и являются второй точкой питания антенны.