АЭРОСТАТНАЯ КОНТЕЙНЕРНАЯ АНТЕННА Российский патент 2008 года по МПК H01Q1/28 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве ненаправленной антенны, поднимаемой летательным аппаратом легче воздуха (аэростат, зонд и т.п.), или антенны космического аппарата.

Известны слабонаправленные ультракоротковолновые (УКВ) антенны, в том числе используемые на аэростатах или космических аппаратах (см., например, книги: Резников Г.Б. Антенны летательных аппаратов. - М., Сов. радио, 1967, с.228...290; Пригода Б.А., Кокунько B.C. Антенны летательных аппаратов. - М., Воениздат, 1979, с.130...157). Известные антенны представляют собой различного рода шлейфовые, петлевые, штыревые и т.п. излучатели, установленные на корпусе контейнера, в котором размещена аппаратура. Отличаются простотой конструкции и формируют диаграмму направленности (ДН) требуемой формы.

Недостатком указанных аналогов является их малая диапазонность, что ограничивает их использование совместно с многоканальными радио- и радиорелейными станциями. Попытки же добиться требуемой диапазонности приводят к неоправданному увеличению габаритов и массы устройства.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является «Аэростатная антенна» по пат. РФ №2097880 от 27.11.1997, МПК H01Q 1/28.

Антенна-прототип состоит из металлического контейнера (МК) с размещенной в нем радиостанцией (PC), соосно с корпусом МК закреплен металлический стержень (МС). По обе стороны от стержня размещены проводники, верхние концы которых подключены к вершине стержня, нижние - к выходу радиостанции, расположенной в МК. К корпусу МК подключены радиальные проводники, выполненные в виде замкнутых петель.

Недостатками прототипа являются относительно большая парусность и масса, обусловленные необходимостью применения громоздкого противовеса из петлеобразных радиальных проводников.

Целью изобретения является разработка аэростатной контейнерной антенны (АКА), обеспечивающей возможность снижения ее парусности и массы без снижения диапазона рабочих частот по согласованию.

Заявленная аэростатная контейнерная антенна расширяет арсенал средств данного назначения.

Поставленная цель достигается тем, что в известной аэростатной контейнерной антенне, включающей МК с размещенной в нем радиостанцией с выходным коаксиальным фидером. МК выполнен в виде двух идентичных, соосно установленных блоков. К периферийным торцам блоков подключены концы проводников, расположенных над МК вдоль его оси. На каждом из примыкающих друг к другу торцах блоков установлены на противоположных гранях блоков прямоугольные, а в центре торцов треугольные пластины. Плоскости всех пластин параллельны друг другу и перпендикулярны плоскостям торцов блоков. Выходной коаксиальный фидер радиостанции, размещенной в одном из блоков, подключен экранной оболочкой к вершине одной из треугольных пластин, а центральным проводником - к вершине другой. Высота каждого из блоков выбрана не менее 0,12 от максимальной длины волны рабочего диапазона волн (λ_max). Периметр «Р» торца каждого блока составляет 2...2,5 его высоты. Расстояние между плоскостями примыкающих торцов блоков составляет (0,1...0,2)Р, а высоты пластин - (0,03÷0,07)Р.

Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков обеспечивается формирование схемы симметричного петлевого вибратора, которая при равных электрических размерах с несимметричным исполнением имеет в малогабаритном варианте меньшую реактивную и большую активную составляющие входного сопротивления, что облегчает согласование антенны с фидером. Симметричная схема АКА обусловит стабильность формы ДН в плоскости Е. Исключение противовеса, помимо снижения массы и парусности антенны, приведет к повышению равномерности ДН в плоскости Н.

Анализ аналогичных технических решений показал на отсутствие в них совокупности отличительных признаков заявленного устройства, проявляющих такие же свойства, которые приобрел от их использования заявленный объект. Это указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Также не выявлены устройства-аналоги, обладающие совокупностью существенных признаков, идентичных всем признакам заявленного объекта, что указывает на его соответствие условию патентоспособности «новизна».

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - общий вид антенны;

на фиг.2 - три проекции антенны;

на фиг.3, 4 - результаты экспериментальных исследований.

Аэростатная контейнерная антенна, показанная на фиг.1, состоит из МК, выполненного в виде двух идентичных металлических блоков 1 высотой h, установленных соосно. Периферийные торцы блоков со сторонами «а» и «в» подключены к концам проводников 2 диаметром 2r, расположенных на удалении «к» над поверхностью блоков 1 параллельно их продольной оси. На каждом из примыкающих друг к другу (на расстоянии «с») торцов блоков 1 на противоположных гранях блоков установлены прямоугольные металлические пластины (ПМП) 3, высотой d, имеющие электрический контакт с корпусом блоков. В центре каждого их примыкающих друг к другу торцов блоков установлена треугольная пластина (ТП) 4. Плоскости всех пластин параллельны друг другу и перпендикулярны плоскостям торцов блоков 1.

Зазор между противолежащими прямоугольными пластинами равен t. Выходной коаксиальный фидер 5 радиостанции 6, установленной в одном из блоков 1 (на фиг.1 - нижнем), подключен экранной оболочкой к вершине одной из ТП 4 (точка «б» на фиг.1 нижней пластине), а центральным проводником - к вершине противоположной (верхней) ТП 4 (точка «б′»).

В верхнем блоке 1 МК могут быть установлены блок питания (аккумуляторная батарея) 7 и другая вспомогательная аппаратура 8. Кабели управления 9 и питания 10, связывающие аппаратурные элементы, размещены в блоках контейнера, проложены в полостях проводников 2, которые выполнены трубчатыми. Соотношения элементов конструкции выбраны следующим образом

h≥0,12λ_max, P/h=2(a+в)/h=(2...2,5), с/Р=(2d+t)/P=0,1...0,2

d/Р=0,03...0,07.

Заявленное устройство работает следующим образом. При включении передатчика 6 его выход через коаксиальный фидер 5 оказывается нагруженным на комплексное сопротивление Z_a, отнесенное к точкам подключения фидера «б»-«б′». В свою очередь Z_a есть результирующее сопротивление, обусловленное сопротивлением короткозамкнутых (к.з.) линий, образованных проводниками 2, и корпусом контейнера - Z_к.з., и собственным сопротивлением симметрично вибратора - Z_в, плечи которого образованы блоками 2 контейнера. Причем Z_K3 подключено к входу фидера непосредственно, a Z_в - с некоторым коэффициентом трансформации М². Величина М² зависит от соотношения диаметра проводников 2, эквивалентного диаметра корпуса контейнера (зависящего фактически от периметра основания) и расстояния «к» между проводниками 2 и поверхностью корпуса контейнера. Указанные составляющие входного сопротивления включены (с учетом коэффициента трансформации М²) параллельно. С точки зрения увеличения объема МК и наиболее полного его использования целесообразно увеличивать площадь его основания. Однако при этом будет возрастать шунтирующее действие торцевой емкости. Влияние последней можно заметно ослабить путем постепенного уменьшения (на конце) поперечного сечения блоков в примыкающих их частях. Однако это существенно увеличит габариты устройства, снизит его диапазонность по форме ДН, уменьшит полезный объем МК. Введение же пластин 3, 4 позволило без существенного увеличения габаритов устройства практически исключить шунтирующие действие торцевой емкости. Размеры и форма пластин выбраны экспериментально. Указанные размеры оптимальны с точки зрения согласованиия антенны. Форма поперечного сечения блоков 1 может быть произвольной и определяться габаритами, формой и удобством компоновки аппаратуры. Для типовой выпускаемой промышленностью аппаратуры лучшей является прямоугольная форма сечения. Однако при любой форме сечения указанные соотношения элементов должны соблюдаться. Вне указанных соотношений, как в сторону их уменьшения, так и увеличения, диапазон рабочих частот с коэффициентом бегущей волны КБВ≥0,5 будет снижаться. При соблюдении указанных размеров наибольший рабочий диапазон по согласованию с КБВ≥0,5 обеспечивает 3,5-кратное перекрытие.

Дополнительно к указанным выше определены и другие оптимальные соотношения Р/(2r)=40...50, 2r/к=0,29...0,31..

Конкретная реализация заявленного устройства определяется заданным диапазоном рабочих частот f_min...f_max и габаритами контейнера «а», «в» и h. Так аэростатная контейнерная антенна, предназначенная для работы в диапазоне 280...560 МГц, и в которой использован контейнер, состоящий из двух одинаковых блоков со сторонами оснований а=в=75 мм, имеет следующие размеры основных конструктивных элементов:

h=145 мм, с=40 мм, d=15 мм, t=10 мм, 2r=6 мм, к=20 мм.

Толщина пластин не влияет на достижение поставленной цели и выбирается с точки зрения обеспечения требуемой механической прочности.

Экспериментальная проверка подтвердила теоретические предпосылки о возможности достижения поставленной цели. Приведенные на фиг.3 результаты измерения КБВ (заявленная антенна - сплошная линия, пунктир-прототип) указывает на более широкий диапазон по согласованию заявленной антенны. На фиг.4 приведены ДН антенны в плоскостях Н и Е, подтверждающие возможность повышения изотропности азимутальной и неизменность формы ДН в меридиональной плоскостях в диапазоне рабочих частот.

От использования заявленного устройства в сравнении с прототипом следует ожидать следующих технических преимуществ:

- расширения диапазона рабочих частот по согласованию при одновременном уменьшении размеров и массы устройства;

- повышения изотропности ДН в плоскости Е;

- сохранения стабильности ДН в плоскости Н в диапазоне рабочих частот;

- улучшения эксплуатационных параметров: снижения массы, парусности и т.п.

- облегчения компоновки аппаратуры в контейнере.

Указанные преимущества дают основание ожидать повышения энергетики и надежности функционирования радио и радиоретрансляционных линий связи с применением заявленной аэростатной контейнерной антенны.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве ненаправленной приемо-передающей антенны, поднимаемой летательным аппаратом легче воздуха. Техническим результатом является снижение парусности и массы без снижения диапазонности антенны по согласованию. Аэростатная контейнерная антенна состоит из металлического контейнера в виде двух идентичных металлических блоков, установленных соосно и к периферийным торцам которых подключены концы проводников. На каждом из примыкающих друг к другу торцов установлены на противоположных гранях блоков прямоугольные металлические пластины, а между ними в центре торцов треугольная металлическая пластина. Плоскости всех пластин параллельны между собой и перпендикулярны плоскости торца. Выходной коаксиальный фидер от радиостанции подключен экранной оболочкой к вершине одной из треугольных пластин, а центральным проводником - к вершине другой. Определены оптимальные соотношения размеров элементов конструкции, при которых реализуется заявленный технический результат. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Аэростатная контейнерная антенна, включающая металлический контейнер с размещенной в нем радиостанцией с выходным коаксиальным фидером, отличающаяся тем, что металлический контейнер выполнен из двух идентичных соосно установленных блоков, к периферийным торцам которых подключены концы проводников, расположенных над металлическим контейнером, на каждом из примыкающих друг к другу торцов блоков установлены на противоположных гранях блоков прямоугольные, а в центре торцов треугольная пластины, плоскости всех пластин параллельны друг другу и перпендикулярны плоскостям торцов блоков, выходной коаксиальный фидер подключен экранной оболочкой к вершине одной из треугольных пластин, а центральным проводником - к вершине другой, причем высота каждого из металлических блоков выбрана не менее 0,12 максимальной длины волны рабочего диапазона волн.2. Аэростатная контейнерная антенна по п.1, отличающаяся тем, что периметр Р торца каждого из блоков составляет 2...2,5 высоты блока, расстояние между плоскостями примыкающих торцов блоков выбрано в пределах (0,1...0,2)Р, а высоты пластин (0,03...0,07)Р.