АНТЕННА ШТЫРЕВАЯ МОБИЛЬНАЯ С ШУНТОВЫМ ПИТАНИЕМ Российский патент 2007 года по МПК H01Q9/42 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и предназначено преимущественно для мобильных (подвижных) приемопередающих радиоузлов декаметрового диапазона длин волн (коротковолновой диапазон частот).

Известны коротковолновые (KB) 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, с.87).

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_р, 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" - Ra=(2,0-1000) Ом, Ха = (минус 2000 ÷ плюс 200) Ом;

- для "Z-образных" антенн - Ra=(10-90) Ом, Ха = (минус 1200 ÷ минус 50) 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 необходимость применения сложной системы грозозащиты, а несущие мачты этих антенн должны быть изолированы от земли, что приводит к необходимости применять высококачественные (преимущественно - фарфоровые) изоляторы.

Известны антенны, обеспечивающие достаточно равномерные значения электрических параметров в коротковолновом (KB) диапазоне частот (1,5-30) МГц (активная и реактивная составляющие входного сопротивления антенны, коэффициент бегущей волны - КБВ) [3], [4], содержащие две или четыре металлические пластины треугольной формы, выполненные из сетки и размещенные вокруг металлической мачты, верхние углы этих пластин электрически соединены с вершиной мачты, центральный проводник коаксиального питающего фидера подключен к нижним углам этих пластин, а внешний проводник (оплетка коаксиального фидера) подключен к основанию металлической мачты и противовесу.

Однако эти антенны могут быть выполнены только в стационарном варианте, так как характерные размеры металлических пластин при работе антенн в нижней части KB диапазона рабочих частот (1,5...5) МГц составляют величину 32...40 метров, [l=(0,16...0,2)λ_max], а высота металлических мачт, выполненных из сплошной металлической трубы или в виде сварной решетчатой конструкции, должна составлять h_м=30...32 метра (h_м=0,16λ_max, λ_max=200 м).

При этом КБВ изменяется в диапазоне рабочих частот в 2,83 раза, а в нижней части KB диапазона частот (ниже 5 МГц) работоспособность антенны [3] не подтверждена.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является коротковолновая мобильная антенна, 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, мачта антенны выполнена разъемной и состоящей из М колен, при этом каждое 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 с помощью лебедки и фиксирующего механизма обеспечивает развертывание/ свертывание антенны в рабочее положение, 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 [5].

Однако и эта антенна характеризуется значительным изменением электрических параметров в диапазоне рабочих частот, особенно в низкочастотной (1,5...6) МГц части KB диапазона (КБВ этой антенны изменяется от значения, равного 0,005 на частоте 1,5 МГц до значения, равного 0,53 на частоте 4 МГц, что приводит к изменению величины отношения (разбросу) максимального значения КБВ к минимальному, равному 106). Другими существенными недостатками этого класса антенн являются:

- необходимость применения сложной многоступенчатой системы грозозащиты (разрядники, безиндукционные резисторы, высоковольтные конденсаторы и т.д.);

- низкая надежность громоздкого опорного изолятора (как правило, выполненного из фарфора и рассчитанного на значительные нагрузки) и рабочих полотен антенны, выполненных из медного канатика.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение разброса электрических параметров антенны в диапазоне рабочих частот, снижения требований к системе грозозащиты выходных цепей и повышение надежности антенны при ее транспортировании и эксплуатации.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известной антенне, содержащей размещенное на грунте основание антенны, механически соединенное с металлической мачтой антенны, N рабочих полотен антенны, размещенных вдоль образующих линий разновысотных прямых конусов, верхние и нижние концы N рабочих полотен антенны электрически объединены верхним и нижним собирательными кольцами соответственно, нижнее собирательное кольцо является первой точкой питания, соединенной с центральным проводником коаксиального кабеля питания, концентрический проводник (оплетка) кабеля питания соединена с концами противовесов, равномерно размещенных вокруг антенны, нижние точки перегиба N рабочих полотен антенны геометрически равномерно размещены на окружности сопряженных своими основаниями первого (нижнего) конуса и второго конуса, металлическая мачта антенны в вертикальном положении и N рабочих полотен антенны в рабочем положении фиксируется системой оттяжек, каждая из которых заканчивается регулировочным лаглинем, к серьгам нижнего собирательного кольца карабинами крепятся нижние концы N рабочих полотен антенны, верхние концы которых карабинами крепятся к фланцу верхнего стакана, введена дополнительная верхняя секция мачты, механически соединенная с металлической мачтой антенны, на вершине дополнительной верхней секции мачты закреплен верхний стакан, к фланцу которого крепятся механически карабинами верхние концы равномерно распределенных вокруг металлической мачты антенны N дополнительных полотен антенны, образующих шунт питания антенны и проходящих сверху вниз вдоль дополнительной верхней секции мачты и металлической мачты антенны, нижние концы N дополнительных полотен антенны соединены электрически и механически с дополнительным нижним кольцом, являющимся при его электрическом подключении к противовесам антенны второй точкой питания антенны, к нижней части дополнительной верхней секции мачты на шарнирах прикреплены N распорок, выполненных из диэлектрика, к концам которых, являющихся верхней точкой перегиба рабочих полотен антенны, прикреплены механически N рабочих полотен антенны, N рабочих полотен антенны проходят сверху вниз от вершины дополнительной верхней секции мачты к нижнему собирательному кольцу и распределены равномерно вдоль образующих трех прямых сопряженных конусов, при этом основание третьего (верхнего) конуса сопряжено с верхней плоскостью второго усеченного конуса, нижнее основание которого сопряжено с нижним основанием первого прямого перевернутого вершиной вниз конуса, верхние концы N дополнительных полотен антенны, образующих шунт питания антенны, электрически соединены с верхним собирательным кольцом, металлическая мачта антенны выполнена телескопической со встроенной в нижнюю секцию металлической мачты антенны лебедкой с грузобезопасным фрикционным тормозом, N рабочих полотен антенны и N дополнительных полотен антенны, образующих шунт питания антенны, выполнены из армированного концентрической медной посеребряной плетенкой высокопрочного жгута «АРМОС» [6], [7], [8], [9], при этом посеребряная плетенка является электрическим проводником рабочих и дополнительных полотен антенны и сверху покрыта дополнительной оболочкой из плетеной нити «АРМОС», все оттяжки антенны выполнены из диэлектрического (непроводящего) жгута «АРМОС».

Сопоставительный анализ заявленного решения показывает, что предмет изобретения отличается тем, что введена дополнительная верхняя секция мачты, механически соединенная с металлической мачтой антенны, на вершине дополнительной верхней секции мачты закреплен верхний стакан, к фланцу которого крепятся механически карабинами верхние концы равномерно распределенных вокруг металлической мачты антенны N дополнительных полотен антенны, образующих шунт питания антенны и проходящих сверху вниз вдоль дополнительной верхней секции мачты и металлической мачты антенны, нижние концы N дополнительных полотен антенны соединены электрически и механически с дополнительным нижним кольцом, являющимся при его электрическом подключении к противовесам антенны второй точкой питания антенны, к нижней части дополнительной верхней секции мачты на шарнирах прикреплены N распорок, выполненных из диэлектрика, к концам которых, являющихся верхней точкой перегиба рабочих полотен антенны, прикреплены механически N рабочих полотен антенны, N рабочих полотен антенны проходят сверху вниз от вершины дополнительной верхней секции мачты к нижнему собирательному кольцу и распределены равномерно вдоль образующих трех прямых сопряженных конусов, при этом основание третьего (верхнего) конуса сопряжено с верхней плоскостью второго усеченного конуса, нижнее основание которого сопряжено с нижним основанием первого прямого перевернутого вершиной вниз конуса, верхние концы N дополнительных полотен антенны, образующих шунт питания антенны, электрически соединены с верхним собирательным кольцом, металлическая мачта антенны выполнена телескопической со встроенной в нижнюю секцию металлической мачты антенны лебедкой с грузобезопасным фрикционным тормозом, N рабочих полотен антенны и N дополнительных полотен антенны, образующих шунт питания антенны, выполнены из армированного концентрической медной посеребряной плетенкой высокопрочного жгута «АРМОС», при этом посеребряная плетенка является электрическим проводником рабочих и дополнительных полотен антенны и сверху покрыта дополнительной оболочкой из плетеной нити «АРМОС», все оттяжки антенны выполнены из диэлектрического (непроводящего) жгута «АРМОС».

На фиг.1 представлена схема антенны штыревой мобильной с шунтовым питанием (АШМШ); на фиг.2 - дополнительная верхняя секция мачты; на фиг.3 - верхнее собирательное кольцо, крепление рабочих и дополнительных полотен на вершине дополнительной верхней секции мачты и подключение полотен к верхнему собирательному кольцу; на фиг.4 - нижняя часть дополнительной верхней секции мачты; на фиг.5а - нижнее собирательное кольцо, на фиг.5б - дополнительное нижнее кольцо. АШМШ содержит размещенное на грунте основание 1 антенны, металлическую мачту 2, N рабочих полотен антенны 3, верхнее собирательное кольцо 4, нижнее собирательное кольцо 5, противовесы 6, оттяжки 7, дополнительную верхнюю секцию мачты 8, дополнительное нижнее кольцо 9, верхний стакан 10, карабины 11, дополнительные полотна 12, шарниры 13, распорки 14, направляющую дополнительных полотен 15, изолирующие подставки 16, серьги 17.

Антенна устанавливается расчетом из 4-х человек следующим образом. Дополнительную верхнюю секцию мачты 8, сблокированную с верхним стаканом 10 и посредством шарниров 13 с распорками 14 комплектуют рабочими полотнами 3 и дополнительными полотнами 12, подключая их верхние концы электрически к верхнему собирательному кольцу 4 и закрепляя их карабинами 11 за отверстия фланца верхнего стакана 10.

Дополнительные полотна 12 пропускают в отверстия направляющей 15 и закрепляют дополнительную верхнюю секцию мачты 8 на вершине металлической мачты 2, установленной на основание 1 и зафиксированной в вертикальном положении с помощью первого яруса оттяжек 7. Три человека из состава расчета, разобрав оттяжки 7, расходятся к местам их крепления к грунту. Четвертый человек из состава расчета, вращая рукоятку лебедки, встроенной в нижнюю секцию телескопической металлической мачты антенны 2, поднимает последовательно вторую и последующие секции мачты антенны 2. При полном выдвижении каждой секции металлической мачты антенны 2 ее положение фиксируется оттяжками 3 с помощью регулировочных лаглиней. После завершения развертывания металлической мачты антенны 2 на основание 1 устанавливается дополнительное нижнее кольцо 9, к которому подключаются противовесы 6 и через изолирующие подставки 16 устанавливается нижнее собирательное кольцо 5. Карабинами 11 нижние концы дополнительных полотен 12 механически закрепляют за серьги 17 дополнительного нижнего кольца 9. Нижние концы рабочих полотен антенны 3 механически и электрически соединяются с нижним собирательным кольцом, являющимся первой точкой питания антенны. Нижние концы дополнительных полотен 12 подключаются электрически к противовесам 6, образующих вторую точку питания антенны.

На фиг.6 и 7 показаны диаграммы направленностей в вертикальной плоскости сравниваемых антенн в диапазоне частот (5...30) мГц с шагом 5 мГц:

- штырь 20 м; диаметр штыря 50 мм;

- АШДМ высотой 20 м;

- АШМШ высотой 20 м.

На фиг.8 и 9 приведены сравнительные характеристики (активная составляющая сопротивления антенны R_A, реактивная составляющая сопротивления антенны JX_A) для трех рассмотренных выше антенн.

Применение армированного медной посеребряной плетенкой высокопрочного жгута «АРМОС» обеспечивает снижение по сравнению с медным антенным канатиком МГ-6 веса рабочих и дополнительных полотен антенны в 1,5 раза (вес одного метра армированного шнура «АРМОС» - 33,7 г, вес одного метра медного антенного каната МГ-6 - 50,8 г). При этом прочность шнура «АРМОС» по разрывной нагрузке составляет 900 кгс, что в 4,2 раза превышает прочность каната МГ-6.

Так как все элементы конструкции предлагаемой антенны непосредственно соприкасается с грунтом, это приводит к снижению требований к устройству грозозащиты выходных цепей антенны (входных цепей приемопередающей аппаратуры) и исключению из состава антенны такого ненадежного элемента как опорный фарфоровый изолятор. При этом электрические характеристики предлагаемой антенны в диапазоне частот (1,5...5) МГц не хуже прототипа.

Исполнение вершины предлагаемой антенны в виде конуса с углом при его вершине более 90° обеспечивает электрическое удлинение антенны и уменьшение разброса параметров в низкочастотной части (1,5...5 МГц) KB диапазона рабочих частот.

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. - 130 с.

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. А.С. № 1030893, H 01 Q 9/28. Бюлл. изобр. №27 от 23.07.1983 г.

4. А.С. № 1359566, H 01 Q 9/28. Бюлл. изобр. №42 от 15.11.1987 г.

5. Патент на изобретение № 2226021. Бюлл. изобр. № 8 от 20.03.2004 г.

6. Исх. HP P-1/43 от 27.03.02 Государственного предприятия Всероссийского научно-исследовательского института полимерных волокон с опытным заводом (ГП ВНИИПВ).

7. Жгут АРМОС-600.

8. Перепелкин К.Е., Мачалава Н.Н., Курылева Н.Н., Андреев А.С., Арамиды - уникальные материалы для обеспечения безопасности, InterReklama, баннерная сеть, статьи 0-1.RU.

9. Канаты синтетические. Технические условия, ТУ 8121-008-51605609-2000.

Изобретение предназначено преимущественно для мобильных приемопередающих радиоузлов декаметрового (KB) диапазона длин волн. Техническим результатом является уменьшение разброса КБВ антенны в диапазоне рабочих частот, снижение требований к системе грозозащиты выходных цепей антенны и повышение надежности антенны при ее транспортировании и эксплуатации. Сущность изобретения состоит в том, что антенна содержит размещенное на грунте основание, механически соединенное с металлической мачтой антенны, N рабочих полотен антенны, размещенных вдоль образующих линий разновысотных прямых конусов, верхние и нижние концы N рабочих полотен антенны электрически объединены верхним и нижним собирательными кольцами соответственно, нижнее собирательное кольцо является первой точкой питания, нижние точки перегиба N рабочих полотен антенны геометрически соединены на окружности сопряженных своими основаниями первого (нижнего) и второго конуса, металлическая мачта антенны в вертикальном положении и N рабочих полотен антенны в вертикальном положении фиксируется системой оттяжек, к серьгам нижнего собирательного кольца карабинами крепятся нижние концы N рабочих полотен антенны, верхние концы которых карабинами крепятся к фланцу верхнего стакана, дополнительная верхняя секция мачты механически соединена с металлической мачтой антенны, на вершине дополнительной верхней секции мачты закреплен верхний стакан, к фланцу которого крепятся механически карабинами верхние концы равномерно распределенных вокруг металлической мачты антенны N дополнительных полотен антенны, образующих шунт питания антенны, нижние концы N дополнительных полотен антенны соединены электрически и механически с дополнительным нижним кольцом, являющимся при его электрическом подключении к противовесам антенны второй точкой питания антенны, к нижней части дополнительной верхней секции мачты на шарнирах прикреплены N распорок, выполненных из диэлектрика, к концам которых, являющихся верхней точкой перегиба рабочих полотен антенны, прикреплены механически N рабочих полотен антенны, N рабочих полотен антенны проходят сверху вниз от вершины дополнительной верхней секции мачты к нижнему собирательному кольцу равномерно вдоль образующих трех прямых сопряженных конусов, при этом основание третьего (верхнего) конуса сопряжено с верхней плоскостью второго усеченного конуса, нижнее основание которого сопряжено с нижним основанием первого прямого перевернутого вершиной вниз конуса, верхние концы N дополнительных полотен, образующих шунт питания антенны электрически соединенные верхним собирательным кольцом, металлическая мачта антенны выполнена телескопической со встроенной в нижнюю секцию металлической мачты антенны лебедкой с грузобезопасным фрикционным тормозом, N рабочих полотен антенны и N дополнительных полотен антенны выполнены из армированного концентрической медной посеребряной плетенкой высокопрочного жгута "АРМОС", которая при этом является электрическим проводником рабочих полотен антенны, и сверху покрыта дополнительной оболочкой из плетеной нити "АРМОС", все оттяжки антенны выполнены из диэлектрического жгута "АРМОС". 9 ил.

Антенна штыревая мобильная с шунтовым питанием, содержащая размещенное на грунте основание антенны, механически соединенное с металлической мачтой антенны, N рабочих полотен антенны, размещенных вдоль образующих линий разновысотных прямых конусов, верхние и нижние концы N рабочих полотен антенны электрически объединены верхним и нижним собирательными кольцами соответственно, нижнее собирательное кольцо является первой точкой питания, соединенной с центральным проводником коаксиального кабеля питания, концентрический проводник-оплетка кабеля питания соединена с концами противовесов, равномерно размещенных вокруг антенны, нижние точки перегиба N рабочих полотен антенны геометрически равномерно размещены на окружности сопряженных своими основаниями первого нижнего конуса и второго конуса, металлическая мачта антенны в вертикальном положении и N рабочих полотен антенны в рабочем положении фиксируются системой оттяжек, каждая из которых заканчивается регулировочным лаглинем, к серьгам нижнего собирательного кольца карабинами крепятся нижние концы N рабочих полотен антенны, верхние концы которых карабинами крепятся к фланцу верхнего стакана, отличающаяся тем, что введена дополнительная верхняя секция мачты, механически соединенная с металлической мачтой антенны, на вершине дополнительной верхней секции мачты закреплен верхний стакан, к фланцу которого крепятся механически карабинами верхние концы равномерно распределенных вокруг металлической мачты антенны N дополнительных полотен антенны, образующих шунт питания антенны и проходящих сверху вниз вдоль дополнительной верхней секции мачты и металлической мачты антенны, нижние концы N дополнительных полотен антенны соединены электрически и механически с дополнительным нижним кольцом, являющимся при его электрическом подключении к противовесам антенны второй точкой питания антенны, к нижней части дополнительной верхней секции мачты на шарнирах прикреплены N распорок, выполненных из диэлектрика, к концам которых, являющихся верхней точкой перегиба рабочих полотен антенны, прикреплены механически N рабочих полотен антенны, N рабочих полотен антенны проходят сверху вниз от вершины дополнительной верхней секции мачты к нижнему собирательному кольцу и распределены равномерно вдоль образующих трех прямых сопряженных конусов, при этом основание третьего верхнего конуса сопряжено с верхней плоскостью второго усеченного конуса, нижнее основание которого сопряжено с нижним основанием первого прямого перевернутого вершиной вниз конуса, верхние концы N дополнительных полотен антенны, образующих шунт питания антенны, электрически соединенные верхним собирательным кольцом, металлическая мачта антенны выполнена телескопической со встроенной в нижнюю секцию металлической мачты антенны лебедкой с грузобезопасным фрикционным тормозом, N рабочих полотен антенны и N дополнительных полотен антенны, образующих шунт питания антенны, выполнены из армированного концентрической медной посеребряной плетенкой высокопрочного жгута "АРМОС", при этом посеребряная плетенка является электрическим проводником рабочих полотен антенны и сверху покрыта дополнительной оболочкой из плетеной нити "АРМОС", все оттяжки антенны выполнены из диэлектрического непроводящего жгута "АРМОС".