РЕТРАНСЛЯТОР РАДИОСИГНАЛОВ И ТУРНИКЕТНЫЙ УЛЬТРАКОРОТКОВОЛНОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК H04B7/04 

Заявленные изобретения объединены единым изобретательским замыслом и относятся к области радиотехники. Ретранслятор предназначен для использования в сетях мобильной ультракоротковолновой (УКВ) радиосвязи, в частности, с использованием воздушных летательных аппаратов (ВЛА) легче воздуха (ЛВ), например, с дирижаблями, аэростатами, зондами. Турникетный излучатель предназначен для использования в качестве диапазонного УКВ антенного элемента (АЭ) в составе антенной решетки (АР) заявленного ретранслятора радиосигналов.

Известны ретрансляторы радиосигналов, размещенные на ВЛА, в частности, на дирижаблях, описанные в книге: Арис М.Я., Полянкер А.Г. Дирижабль нового поколения. - Киев: изд. Наукова думка, 1983. - 143 с. Ретранслятор установлен на платформе, жестко закрепленной на дирижабле, для управления азимутальной ориентацией антенн ретранслятора дирижабль снабжен поворотными соплами.

Недостатком известного аналога является его низкая мобильность (Мобильность - свойство ретранслятора, характеризующее время, необходимое для приведения его из транспортного положения в рабочее и обратно) и высокая эксплуатационная стоимость.

Известны также ретрансляторы, размещенные на ВЛА ЛВ - дирижабле «Пегас») (см. в указанной книге Арис М.Я., Полянкера А.Г. на с.143).

Ретранслятор включает платформу, установленную на дирижабле, на которой размещена аппаратура для ретрансляции телевизионных сигналов, комплект приемопередающих антенн и система автономного питания.

Недостатком известного ретранслятора является относительно низкая мобильность и большие эксплуатационные финансовые затраты.

Известны турникетные излучатели.

Известный турникетный УКВ-излучатель, описанный в книге Антенны. / Под ред. Ю.К. Муравьева, - Л.: ВКАС, ч. II, 1963. - с.65-66, состоит из двух трубчатых ортогональных симметричных вибраторов, в полости которых установлены фазосдвигающие элементы, обеспечивающие квадратурное фазовое возбуждение симметричных вибраторов.

Недостатком известного аналога является узкая полоса рабочих частот.

Известна турникетная диапазонная УКВ-антенна, описанная в книге: Antennen. Rohde & SCHWARZ. - München 80, Printed in the Federal Republic of Germany, 1999, pp.211-212.

Известный аналог состоит из двух логопериодических структур, установленных ортогонально, подключенных к собирательной линии и возбуждаемых в фазовой квадратуре. Антенна обеспечивает диапазонную работу с линейной и вращающейся поляризациями.

Недостатком данного аналога является его относительно большие габариты, что ограничивает его применение в мобильных системах радиосвязи.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному РТРС является известный ретранслятор, размещенный на ВЛА (самолете), описанный в книге: Власенко В.И., Серков В.П., Чернолес В.П. Антенны военной техники связи./Самолетный ретранслятор. - Л.: ВАС, 1986. - с.122, 123; рис.5.17. Устройство - прототип включает размещенные на самолете: ретрансляционный узел связи в составе трех полукомплектов радиорелейной станции; двух комплектов ретрансляционной станции, бортового антенного модуля, блока автоматизированного управления ретранслятором, блока коммутации оборудования и блока электропитания.

Известный РТРС обеспечивает большие интервалы ретрансляционной линии связи, благодаря возможности подъема и барражирования на высотах до нескольких километров.

Недостатком прототипа является относительно низкая мобильность и высокие эксплуатационные затраты, связанные с хранением, обслуживанием и многочасовыми полетами ВЛА.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному турникетному УКВ-излучателю является известная антенна Линденблада, описанная в книге: Пистолькорс А.А. Антенны. - М.: Связьиздат, 1947, с.408-411, рис.VIII 2.2, 2.8.

Антенна-прототип состоит из двух ортогонально установленных симметричных вибраторов (СВ), плечи которых выполнены в виде объемных тел вращения и двух объемных компенсирующих элементов (КЭ), установленных симметрично относительно точек подключения к фидеру соответствующих СВ. КЭ электрически соединенных друг с другом.

Благодаря использованию объемной конструкции плеч СВ и компенсирующих элементов обеспечивается диапазонная работа турникетного излучателя (ТИ).

Недостатком антенны-прототипа является его относительно большие массогабаритные характеристики, что накладывает ограничение на его применение в мобильных системах радиосвязи с использованием ВЛА ЛВ.

Целью заявленного РТРС является разработка ретранслятора с использованием ВЛА ЛВ, обеспечивающего его более высокую мобильность и снижение эксплуатационных затрат при его использовании.

Целью заявленного турникетного УКВ-излучателя является разработка антенного элемента для использования в составе РТРС, обеспечивающего снижение его массогабаритных показателей без ухудшения электрических параметров излучателя (диапазона рабочих частот, качества согласования).

Заявленные устройства расширяют арсенал средств данного назначения.

В заявленном ретрансляторе поставленная цель достигается тем, что в известном РТРС, содержащем блок станций ретрансляции (БСРТ), блок автоматизированного управления ретранслятором (БАУРТ), блок электропитания (БЭП) и размещенный на ВЛА антенный модуль (AM), а управляющие входы и выходы БАУРТ подключены к соответствующим входам и выходам блоков РТРС, ВЛА выполнен в виде привязного аэростата (ПрА), т.е. в виде ВЛА легче воздуха (ЛВ). Дополнительно введены блок управления параметрами антенн (БУПА), блок управления ВЛА (БУ ВЛА). ПрА скреплен с БУ ВЛА, установленным на подвижном грунтовом объекте (ПГО). Шины управляющих входов БУПА «уровень сигнала 1», «уровень сигнала 2», «антенна 1», «антенна 2», «фаза 1», «фаза 2», «усилитель 1» и «усилитель 2» подключены к одноименным управляющим выходам БАУРТ. Шины управляющих выходов «станция 1» и «станция 2» БАУРТ подключены к управляющим входам соответственно «станция 1» и «станция 2» БСРТ. Шины сигнальных выходов «сигнал 1» и «сигнал 2» БСРТ подключены к одноименным сигнальным входам БУПА. Первый и второй N-разрядные сигнальные выходы/входы БУПА подключены к одноименным N-разрядным входам/выходам AM, где N≥2. Шины управляющих входов «азимут», «сеть», «высота» БУ ВЛА подключены к одноименным управляющим выходам БАУРТ, который дополнительно снабжен входной шиной «исходные данные».

Новым также является то, что AM состоит из первой и второй N-элементных кольцевых антенных решеток (КАР). Антенные элементы (АЭ) в каждой их КАР выполнены в виде идентичных турникетных излучателей (ТИ). Входы/выходы ТИ, принадлежащих первой и второй КАР, являются соответственно первым и вторым N-разрядными входами/выходами AM.

БУПА состоит из измерителя уровня сигнала (ИУС), высокочастотного коммутатора (ВЧК), фазовращателя и усилителя. Первый и второй управляющие входы ИУС являются управляющими входами соответственно «уровень сигнала 1» и «уровень сигнала 2» БУПА. Первый и второй управляющие входы ВЧК являются управляющими входами соответственно «антенна 1» и «антенна 2» БУПА. Первый и второй управляющие входы фазовращателя являются управляющими входами соответственно «фаза 1» и «фаза 2» БУПА. Первый и второй управляющие входы усилителя являются управляющими входами соответственно «усиление 1» и «усиление 2» БУПА. Первый и второй N-разрядные сигнальные выходы/входы БУПА являются одноименными сигнальными выходами/входами ИУС. Первый и второй сигнальные входы усилителя являются сигнальными входами соответственно «сигнал 1» и «сигнал 2» БУПА.

Усилитель, фазовращатель, ВЧК и ИУС соединены каскадно по первому и второму N-разрядным сигнальным входам.

БСРТ состоит из первой и второй станций ретрансляции (СРТ), сигнальные выходы и управляющие входы которых являются соответственно сигнальными выходами «сигнал 1», «сигнал 2» и управляющими входами «станция 1», «станция 2» БСРТ.

БУ ВЛА состоит из измерителя высоты (ИВ), измерителя азимута (ИА) и исполнительного механизма (ИМ). Управляющие входы ИВ, ИА и ИМ являются управляющими входами «азимут», «высота», «сеть» БУ ВЛА. Управляющие выходы ИА и ИВ подключены к входам «подъем», «спуск» и «+азимут», «-азимут» ИМ.

Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков обеспечивается оперативное приведение в рабочее положение ВЛА ЛВ, его ориентация по азимуту, независимое формирование требуемых диаграмм направленности (ДН) АР с максимумом, ориентированным в сторону корреспондирующих пунктов, и непрерывный мониторинг и коррекция энергетических характеристик линий ретрансляции, что указывает на возможность достижения сформулированного технического результата - повышения мобильности РТРС.

В заявленном излучателе поставленная цель достигается тем, что в известном турникетном УКВ-излучателе, содержащем два ортогонально установленных симметричных вибратора (СВ), каждый из которых снабжен компенсирующим элементом (КЭ), размешенным симметрично относительно точек подключения к фидеру плеч соответствующего СВ, плечи СВ и КЭ выполнены из. металлических пластин, размещенных в одной плоскости. Каждое плечо СВ выполнено в форме треугольной пластины высотой Н_п≥0,16λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн, и углом α=20-30° при его вершине, подключенной к фидеру. Каждый КЭ состоит из двух треугольных пластин, установленных по обе стороны плеч соответствующего СВ. Треугольные пластины каждого КЭ имеют основание D_э=(0,9-1,2)Н_п, высоту Н_э=(0,18-0,25)D_э и угол β=180-α при вершине, примыкающей к точкам подключения плеч СВ к фидеру. Вершины треугольных пластин КЭ, примыкающие к точкам подключения плеч СВ к фидеру, электрически соединены друг с другом. Между кромками треугольных пластин КЭ и кромками плеч СВ установлен воздушный зазор Δ=(0,01-0,02)Н_п. Пересекающиеся поверхности КЭ, принадлежащие ортогональным СВ, электрически соединены, образуя единую металлическую поверхность.

В местах пересечения плоскостей плеч СВ и КЭ, в последних выполнены вырезы по форме пересекающей части соответствующего плеча СВ. Пересекающаяся часть плеча СВ размещена в соответствующем вырезе КЭ с воздушным зазором Δ между примыкающими кромками этого выреза и установленного в нем плеча.

Фидер подключен к ТИ с возможностью возбуждения одного из СВ или возбуждения двух СВ в фазовой квадратуре.

Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков в заявленном ТИ обеспечивается широкополосная взаимная компенсация реактивных составляющих его входного сопротивления, обусловленных собственно плечами соответствующего СВ и его КЭ. При этом вся конструкция ТИ выполнена пластинчатой, что при существенном снижении его массы сохраняет диапазонные свойства излучателя.

Заявленные объекты поясняются чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - общий вид РТРС в рабочем положении;

на фиг.2 - общая структурная схема РТРС;

на фиг.3 - общий вид ТИ;

на фиг.4 - конструктивная схема исполнительного механизма;

на фиг.5 - алгоритм функционирования БАУРТ;

на фиг.6 - рисунок, поясняющий взаимное расположение РТРС относительно корреспондентов;

на фиг.7, 8, 9 - рисунки, поясняющие принцип работы ТИ;

на фиг.10 - рисунок, поясняющий схему антенных решеток AM;

на фиг.11 - вариант построения схемы ВЧК;

на фиг.12 - результаты измерения электрических характеристик ТИ.

РТРС, структурная схема которого показана на фиг.2, состоит из AM 1, БУПА 2, БСРТ 3, БУ ВЛА 4, БАУРТ 5. AM 1 закреплен на ВЛА ЛВ, который выполнен в виде ПрА 6 (см. также фиг.1). ПрА 6 закреплен с помощью приязных тросов (ПрТ) 7 на ПГО 8, например на автомобиле.

Мягкая оболочка ПрА 6 может быть выполнена из полиэстерной алюминизированной ткани и для придания большей геометричности покрыта полиуретаном.

Привязные тросы 7 могут быть выполнены из кевлара.

Особенности конструкции и методика расчета подъемной силы аэростатов известны и описаны, например, в указанной выше книге Ариса М.Я. и Полянкера А.Г. на с.16-25.

Шины управляющих входов БУПА 2 «уровень сигнала 1», «уровень сигнала 2», «антенна 1», «антенна 2», «фаза 1», «фаза 2», «усилитель 1» и «усилитель 2» подключены к одноименным управляющим выходам БАУРТ 5. Шины управляющих выходов «станция 1», «станция 2» БАУРТ 5 подключены к управляющим входам соответственно «станция 1», «станция 2» БСРТ 3.

Шины сигнальных выходов «сигнал 1», «сигнал 2» БСРТ 3 подключены к одноименным сигнальным входам БУПА 2. Первый и второй N-разрядные сигнальные выходы/входы БУПА 2 подключены к одноименным N-разрядным входам/выходам AM 1. Шины управляющих входов «азимут», «сеть», «высота» БУ ВЛА 6 подключены к шинам одноименных управляющих выходов БАУРТ 5. БАУРТ 5 дополнительно снабжен входной шиной «исходные данные».

ПрА 6 предназначен для подъема и удержания на заданной высоте Н (фиг.1) AM 1, обеспечивающей прямую видимость между каждым из корреспондирующих пунктов и AM 1 РТРС (см. также фиг.6).

AM 1 предназначен для приема/излучения радиосигналов от корреспондирующих пунктов.

AM 1 может быть реализован различным образом. С учетом неопределенности взаимной ориентации корреспондентов AM 1 выполнен в виде двух идентичных независимо функционирующих N-элементных КАР 1.1 и 1.2. Структура N-элементной КАР 1.1 (1.2), показанная на фиг.10, состоит из N≥2 АЭ 1.1.1, установленных в экваториальной плоскости металлического цилиндра 1.1.2 на высоте d над его поверхностью. Каждый АЭ 1.1.1 представляет собой турникетный плоский излучатель, обеспечивающий излучение/прием электромагнитных волн (ЭМВ) как с линейной (вертикальной или горизонтальной), так и с вращающейся поляризациями (фиг.3). Общее число N АЭ 1.1.1 в КАР определяется: предельно допустимыми массогабаритными характеристиками AM 1, требованиями по ширине главного лепестка ДН в азимутальной плоскости и диапазоном рабочих длин волн РТРС. Порядок расчета электрических характеристик, необходимого числа n, где n=1, 2, …,N АЭ КАР, обеспечивающих формирование ДН с требуемой шириной ее главного лепестка и их оптимального размещения относительно металлического цилиндра известен и описан, например, в книге: Резников Г.Б. Антенны летательных аппаратов. - М.: Сов. радио, 1967. - с.150-164.

АЭ 1.1.1 первой 1.1 и второй 1.2 КАР подключены соответственно к первому и второму N-разрядным сигнальным входам/выходам, которые в свою очередь подключены к одноименным входам/выходам БУПА 2. Конструктивно первый и второй N-разрядные сигнальные входы/выходы объединены общей шиной 9 (см. фиг.1), с помощью которой они подключены к БУПА 2, размещенному на ГПО 8. В частности, шина 9 может быть вмонтирована в один из привязных тросов 7.

БУПА 2 предназначен для формирования требуемой ДН первой 1.1 и второй 1.2 КАР в зависимости от заданных географических координат месторасположения корреспондирующих пунктов и места нахождения РТРС, путем формирования диаграммообразующих схем в трактах высокочастотного (в. ч.) сигнала первой 1.1 и второй 1.2 КАР. Кроме того, БУПА 2 выполняет контроль и при необходимости регулировку уровней сигналов, при которых обеспечивается заданный энергетический потенциал радиолиний.

БУПА 2 состоит из ИУС2.1, ВЧК 2.2, фазовращателя 2.3 и усилителя 2.4.

Первый и второй управляющие входы ИУС 2.1 являются управляющими входами соответственно «уровень сигнала 1» и «уровень сигнала 2» БУПА 2. Первый и второй управляющие входы ВЧК 2.2 являются управляющими входами соответственно «антенна 1» и «антенна 2» БУПА 2. Первый и второй управляющие входы фазовращателя 2.3 являются управляющими входами соответственно «фаза 1» и «фаза 2» БУПА 2. Первый и второй управляющие входы усилителя 2.4 являются управляющими входами соответственно «усиление 1» и «усиление 2» БУПА 2. Первый и второй N-разрядные сигнальные выходы/входы БУПА 2 являются одноименными сигнальными выходами/входами ИУС 2.1.

Первый и второй сигнальные входы усилителя 2.4 являются сигнальными входами соответственно «сигнал 1» и «сигнал 2» БУПА 2. Усилитель 2.4, фазовращатель 2.3, ВЧК 2.2 и ИУС 2.1 соединены каскадно по первому и второму N-разрядным сигнальным входам.

ИУС 2.1 предназначен для непрерывного измерения уровней мощности поступающих на входы AM 1 сигналов, излучаемых РТРС в сторону корреспондентов. ИУС 2.1 может быть реализован в виде совокупности датчиков тока и напряжения, устанавливаемых на N-выхода БУПА 2. Датчики тока и напряжения, предназначенные для контроля передаваемой по фидеру мощности, в.ч. сигнала, известны и описаны, например в книге: Кушнир Ф.В. Электроизмерения: учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1983. - с.22-23.

ВЧК 2.2 предназначен для коммутации (отключения или подключения), возбуждающей ЭДС к соответствующим АЭ первой 1.1 и второй 1.2 АР.

ВЧК 2.2 может быть реализован по схеме, показанной на фиг.11. ВЧК 2.2 состоит их двух групп по N коммутационных элементов 2.2.1₁÷2.2.1_N и 2.2.2₁÷2.2.2_N. Управляющие входы первой и второй групп коммутационных элементов подключены к соответствующим разрядам первой и второй N-разрядных шин управляющих входов «антенна 1» и «антенна 2» БАУРТ 5.

Каждый разряд шин управляющих входов «антенна 1» и «антенна 2» выполнен в виде двух физических проводников (см. фиг.11). Коммутационные элементы 2.2.1 и 2.2.2 предназначены для подключения соответствующего входа/выхода АЭ, принадлежащих первой 1.1 и второй 1.2 АР антенного модуля 1.

Каждый разряд 1-го и 2-го N-разрядных сигнальных входов/выходов ВЧК 2.2 выполнен в виде четырех физических проводников (см. фиг.11), по которым поступают возбуждающие ЭДС, с прогрессивным 90°-ым фазовым сдвигом. Схемы коммутационных элементов 2.2.1 (2.2.2) идентичны и вариант их построение приведен на фиг.11б. В зависимости от выбранного вида поляризации: вертикальная, горизонтальная или вращающая управляющие сигналы подают питание соответственно на реле P1, P2 или на оба эти реле. Тем самым возбуждая или один из СВ турникетного излучателя (вертикальный или горизонтальный) или оба в фазовой квадратуре.

Фазовращатель 2.3 предназначен для формирования необходимого фазового сдвига, в. ч. сигнала, поступающего от усилителя 2.4 на n-ый сигнальный вход соответствующего разряда его первого и второго N-разрядных сигнальных входов.

Величина необходимых фазовых сдвигов определяется значениями управляющих сигналов, поступающих от БАУРТ 5 на входы «фаза 1» и «фаза 2» БУПА 2.

В качестве фазовращателя могут быть использованы известные коммутируемые дискретные реактивные цепи (КДРЦ), реализованные, например, на отрезках коаксиального кабеля (см. пат. РФ №2276454 от 10.05.2006).

При таком построении фазовращателя 2.3 он будет включать два комплекта фазовращателей, каждый из которых будет содержать по N КДРЦ, обеспечивающих необходимый фазовый сдвиг возбуждающего сигнала для каждого АЭ 1.1.1₁-1.1.1_N, входящего в первую 1.1 и вторую 1.2 АР (см. фиг.10).

Усилитель 2.4 предназначен для усиления поступающих на его входы, в.ч. сигналов до уровней, при которых в радиолинии соотношение мощности сигнала Р_c и мощности помех Р_п превышают предварительно заданное значение K_min, т.е. Р_с/Р_п>K_min.

Необходимая величина усиления задается значением управляющего напряжения, поступающего от БАУР 5 на управляющие входы «усилитель 1» и «усилитель 2» БУПА 2.

Общая схема усилителя 2.4 должна включать два независимо функционирующих усилителя сигналов, поступающих с выходом «сигнал 1» и «сигнал 2» БСРТ 3.

Каждый из независимых усилителей может быть реализован по схеме с регулированной величиной тока в нагрузке. Схемы таких усилителей известны и описаны, например, в книге: Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. - М.: Радио и связь, 1983. - с.87-90.

БСРТ 3 предназначен для ретрансляции сигналов между корреспондирующими станциями. БСРТ 3 включает первую 3.1 и вторую 3.2 станции ретрансляции, в качестве которых могут использоваться два полукомплекта выпускаемых промышленностью ретранслирующих станций, например типа Р-419.

БУ ВЛА 4 предназначен для подъема, спуска и азимутальной привязки ВЛА ЛВ 6 по командам управляющих сигналов «азимут» и «высота», поступающих от БАУРТ 5.

БУ ВЛА 4 состоит из измерителей азимута 4.1, высоты 4.3 и исполнительного механизма 4.2. Измеритель азимута 4.1 предназначен для отчета азимутального угла между диагональю о-о' (см. фиг.10) первой 1.1 и второй 1.2 КАР и направлением «север-юг» (с-ю). Измеритель азимута 4.1 может быть выполнен в виде компаса.

Измеритель высоты 4.3 предназначен для измерения высоты подъема ВЛА ЛВ 6 и представляет собой датчик контроля длины выпускаемого привязного троса 7, в процессе подъема ВЛА.

Исполнительный механизм 4.2 предназначен для выполнения операций подъема, спуска и удержания на заданной высоте ВЛА ЛВ 6, а также выполнения операции азимутальной привязки ВЛА ЛВ 6 относительно направления «с-ю».

В качестве исполнительного механизма 4.2 может быть использован известный механизм подъема и спуска (МПС) ВЛА ЛВ, описание которого и конструктивная схема приведены в описании патента РФ №2358788, 2009.

Общая схема конструкции ИМ 4.2 показана на фиг.4. Основание 4.2.1 (фиг.4а) выполнено в виде двух конгруэнтных верхней 4.2.2 и нижней 4.2.3 площадок, разнесенных на высоте на расстоянии h. Основание 4.2.1 выполнено с возможностью его вращения в азимутальной плоскости. Для этой цели основание 4.2.1 снабжено механизмом азимутального вращения, состоящим из реверсируемого двигателя 4.2.4 и шестеренчатой пары, включающей шестерню 4.2.5, жестко закрепленную на внешней поверхности нижней площадки 4.2.3 основания 4.2.1, и передаточную шестерню 4.2.6, насаженную на вал реверсируемого двигателя 4.2.4. Для обеспечения свободного и плавного вращения основание 4.2.1 снабжено свободно вращающимися колесами 4.2.7, и установлено в кольцевой монорельс 4.2.8. Механизм азимутального вращения размещен в углублении 4.2.9, оборудованном на ГПО 8. В промежутке между нижней 4.2.3 и верхней 4.2.2 площадками основания 4.2.1 установлен механизм подъема и спуска (МПС) ВЛА ЛВ 6 (фиг.4б).

МПС установлен на внутренней поверхности нижней площадки 4.2.3 основания 4.2.1. МПС состоит из реверсируемого двигателя 4.2.9, двух шестеренчатых передач (ШП) 4.2.10 и четырех свободно вращающихся барабанов 4.2.11 с намотанными на них привязными тросами 7. Барабаны 4.2.11 установлены симметрично относительно центра площадки 4.2.3 на взаимно перпендикулярных диаметрах. ШП 4.2.10 предназначены для передачи вращающего момента силового вала двигателя 4.2.9 на оси барабанов 4.2.11. Верхняя площадка 4.2.2 основания 4.2.1 снабжена периферийными клюзами 4.2.12 над местами установки соответствующего барабана 4.2.11. Через клюзы 4.2.12 пропущены привязные тросы 7, концы которых закреплены на оболочке ВЛА ЛВ 6. Вращение всех барабанов 4.2.11 от одного привода (двигателя 4.2.9) обеспечивает синхронность разматывания привязных тросов 7, плавность подъема и устойчивость ВЛА ЛВ 6 в поднятом состоянии.

Напряжение питания двигателей 4.2.4 и 4.2.9 исполнительного механизма 4.2 от управляющего входа «сеть» БАУРТ 5 поступает на блок питания двигателей (на представленных чертежах блок питания не показан). Требуемое направление вращения двигателей 4.2.4 и 4.2.9 зависит от управляющих сигналов соответственно «+азимут», « -азимут» от ИА 4.1 и «подъем», «спуск» от ИВ 4.3.

БАУРТ 5 предназначен для формирования управляющих сигналов, обеспечивающих функционирование РТРС в заданном режиме и с требуемыми электрическими параметрами.

БАУРТ 5 может быть реализован в виде процессора, алгоритм работы которого показан на фиг.5. Процессор снабжен портами П1-П14, с помощью которых он взаимодействует через шины управляющих сигналов с соответствующими блоками РТРС. На вход процессора (порт П12) подают исходные данные (см. также фиг.2), а остальные порты П2-П14 служат для подключения соответствующих шин управляющих входов/выходов.

Турникетный УКВ-излучатель, показанный на фиг.3, является АЭ 1.1.1 первой 1.1 и второй 1.2 АР. Все АЭ антенных решеток идентичны. Турникетный УКВ-излучатель состоит из двух ортогонально установленных СВ, каждое из плеч 10 которых выполнено в форме треугольной металлической пластины высотой Н_п≥0,16 λ_max и с углом α=20-30° при его вершине, подключенной к фидеру (точки а-а'). КЭ 11 выполнены из металлических пластин, которые размещены в одной плоскости с плечами 10 СВ. Каждый КЭ 11 состоит из двух одинаковых треугольных пластин с основанием D_э=(0,9-1,2)Н_п, высотой Н_э=(0,18-0,25)D_э и углом β=180°-α при вершине, примыкающей к точкам подключения плеч СВ к фидеру.

Вершины треугольных пластин КЭ 11, примыкающие к точкам подключения плеч 11 к фидеру электрически соединены друг с другом (точка "б"). Между кромками треугольных пластин КЭ 11 и кромками плеч 11 СВ установлен воздушный зазор Δ=(0,01-0,02)Н_п. Пересекающиеся поверхности КЭ 11, принадлежащие ортогональным СВ, электрически соединены, образуя единую металлическую поверхность.

В местах пересечения плеч 10 СВ и КЭ 11, в последних выполнены вырезы по форме пересекающей части соответствующего плеча 10 СВ. Пересекающаяся часть плеча 10 СВ размещена в соответствующем вырезе КЭ 11 с воздушным зазором Δ между примыкающими кромками этого выреза и установленной в нем части плеча 10.

Заявленный РТРС работает следующим образом. По прибытию РТРС к месту развертывания, характеризуемому географическими координатами: долготой λ_о и широтой φ_о (см. фиг.6) в БАУРТ 5 через порт П12 «исходные данные» (см. фиг.2 и 5) вводят исходные данные, включающие: рабочую частоту f_p, вид поляризации П, географические координаты первого λ₁, φ₁ и второго λ₂, φ₂ корреспондентов A₁ и А₂, а также координаты λ_о, φ_о места установки А_о РТРС. Кроме этого вводят минимально допустимое соотношение K_min уровней сигнал/помеха. Значение K_min выбирают в зависимости от вида работы, требуемой достоверности и других показателей, характеризующих энергетический потенциал радиолинии.

Из предварительно размещенного в базе БАУРТ 5 банка цифровых карт местности извлекают фрагмент карты (см. фиг.6а), с помощью которой строят профили трассы и определяют наличие (или отсутствие) прямой видимости между корреспондентами A₁ и А₂. Порядок построения профилей и определения взаимной видимости точек на местности известны и описаны, например в Справочнике по военной топографии. / A.M. Говорухин и др. - 2-е изд., - М.: Воениздат, 1980, с.124-136.

При отсутствии прямой видимости между корреспондентами как это показано на фиг.6б, строят профили трасс от места установки РТРС - А₀ в направлениях на первого A₁ и на второго А₂ корреспондентов. Затем вычисляют необходимую высоту Н подъема ВЛА ЛВ 6, при которой в обоих направлениях будет обеспечена прямая видимость (см. фиг 6в), а также соответствующие протяженности трасс R₁, R₂ и азимутальные направления α₁ и α₂ соответственно на первого A₁ и на второго А₂ корреспондентов относительно точки А₀ (фиг.6а). После чего с учетом заданной величины K_min превышения сигнала над помехой определяют требования к коэффициенту направленного действия (КНД) первой 1.1 и второй 1.2 АР. Порядок вычисления необходимой величины КНД при заданном значении K_min из общего уравнения передачи радиолинии известен и описан, например, в книге Б.А. Виноградов, П.Ф. Левчук. Радиочастотная служба и антенные устройства. - Л.: ВАС, 1977, с.89-93.

По известной величине КНД в БАУРТ 5 вычисляют необходимое число АЭ и требуемое для них амплитудно-фазовое распределение возбуждающей ЭДС в первой 1.1 и второй 1.2 АР. Порядок вычисления перечисленных характеристик АР известен и описан в указанной выше книге Резникова Г.Б. на с.150-164.

В соответствии с вычисленными характеристиками в БАУРТ 5 формируют управляющие сигналы. С портов П1 и П2 управляющие сигналы по шинам «антенна 1» и «антенна 2» поступают на одноименные входы ВЧК 2.2, в котором происходит подключение соответствующих АЭ к сигнальным входам (см. фиг.11).

Аналогично с портов П3, П4 и П5, П6 управляющие сигналы поступают на входы «фаза 1», «фаза 2» фазовращателя 2.3 и «усилитель 1», «усилитель 2» усилителя 2.4 БУПА 2.

Этим завершается предварительная подготовка БУПА 2 к работе, которая обеспечивает необходимый энергетический потенциал радиолиний, в направлениях на первого A₁ и на второго А₂ корреспондентов.

Затем в БАУРТ 5 формируют управляющие сигналы на подъем и азимутальную привязку ВЛА ЛВ 8, которые через порты П11 и П9 «высота» и «азимут» подают на соответствующие управляющие входы измерителя высоты 4.3 и измерителя азимута 4.1 БУ ВЛА 4. После чего через порт П10 «сеть» поступает сигнал на включение двигателей 4.2.4 и 4.2.9 исполнительного механизма 4.2. Одновременно производят контроль текущих значений азимута и высоты. При достижении заданной высоты Н и заданной азимутальной ориентации ВЛА ЛВ 6 происходит отключение двигателей исполнительного механизма. Текущие значения высоты и азимута контролируют с помощью измерителей высоты 4.3 и азимута 4.1.

На этом полная подготовка к работе РТРС завершена. От БАУРТ 5 через порты П7 и П8 «станция 1» и «станция 2» подают сигналы на включение первой 3.1 и второй 3.2 станций ретрансляции БСРТ 3. РТРС работает в заданном режиме. При работе РТРС осуществляется непрерывное измерение уровней сигналов, принимаемых от первого A₁ и от второго А₂ корреспондентов, которые через порты П13 и П14 поступают на БАУРТ 5. По измерительным уровням вычисляют соотношение сигнал/шум (с/ш). Если вычисленное значение с/ш<K_min, то в БАУРТ 5 формируют управляющие сигналы на усиление, которые через порты П5 и П6 «усилитель 1» и «усилитель 2» поступают на управляющие входы усилителя 2.4, для корректировки уровня усиления.

Для корректировки высоты Н подъема и азимутальной привязки ВЛА ЛВ 6 в БАУРТ 5 формируют соответствующие управляющие сигналы, которые через порты П9 и П10 поступают на соответствующие входы БУ ВЛА 4.

После завершения сеанса ретрансляции производят отключение, в.ч. тракта и спуск ВЛА ЛВ 6 в обратном порядке по соответствующим управляющим сигналам от БАУРТ 5.

Каждый АЭ, входящий в состав первой 1.1 и второй 1.2 АР, представляет собой турникетный УКВ-излучатель, показанный на фиг.3, который работает следующим образом.

В зависимости от положения исполнительных контактов реле P₁ и Р₂ (см. фиг.11б) излучатель может излучать электромагнитные волны (ЭВМ) с горизонтальной поляризацией (контакты реле P₂ замкнуты, контакты реле P₁ разомкнуты), с вертикальной поляризацией (контакты реле Р₂ разомкнуты, контакты реле P₁ замкнуты) и с вращающейся поляризацией (контакты реле P₁ и Р₂ замкнуты).

При подключении питания в точках а-а' плеч 10 одного из СВ (например, вертикального, см. фиг.7) по ним протекает в.ч. ток (сплошные стрелки), который индуцирует в примыкающих кромках КЭ 11, в.ч. ток обратного направления, замыкающийся по контуру общей металлической пластины, образованной КЭ 11, принадлежащими ортогональным СВ (сплошные стрелки). Это эквивалентно выносу точек возбуждения СВ в сечение с-с' (фиг.3, фиг.7, фиг.8). Т.е. СВ можно представить в виде СВ, возбуждаемого в двух точках (фиг.9). Аналогичный процесс имеет место при возбуждении горизонтального СВ (токи показаны пунктирными стрелками на фиг.7). А общая эквивалентная схема изображена на фиг.9 и представляет собой два ортогональных вибратора, каждый из которых возбуждается в двух сечениях. Путем подбора соотношения геометрических размеров элементов такого излучателя можно обеспечить широкополосную взаимную компенсацию реактивности собственно СВ, имеющей емкостной характер и реактивности, обусловленной протеканием в.ч. токов по контурам КЭ 11, имеющей индуктивный характер.

Оптимальные размеры элементов конструкции турникетного УКВ-излучателя, их форма и соотношение их размеров были установлены путем экспериментальной отработки опытного образца. Было установлено, что наибольший рабочий диапазон по согласованию (коэффициент бегущей волны - КБВ) достигается при следующих размерах Н_п≥0,16λ_max; α=20-30°; D_э=(0,9-1,2)Н_п; Н_э=(0,18-0,25)D_э; β=180-α; Δ=(0,01-0,02)Н_п.

Опытный образец, выполненный из медной фольги толщиной 0,1 мм, имел следующие размеры:

λ_max=1,125 м; Н_п=180 мм, α=20°; β=160°; Н_э=35 мм; D_э=173 мм; Δ=2 мм; волновое сопротивление фидера ρ_ф=50 Ом.

Измеренные значения коэффициента стоячей волны (КСВ) в диапазоне 200-400 МГц, что соответствует Н_э/λ=0,1-0,4, где λ - рабочая длина волны, показаны на фиг.12. Там же приведены значения КБВ для прототипа. Полученные результаты показывают, что диапазон рабочих частот заявленного турникетного УКВ-излучателя при КСВ≤2 практически совпадает с диапазоном прототипа. При этом заявленный излучатель обладает малыми габаритами, а при его печатном исполнении и пренебрежимо малой массой, что существенно снижает вес AM 1, снижает требования по грузоподъемности к ВЛА ЛВ 6 и его объему и, следовательно, делает возможным применение небольших привязных аэростатов в выполненном состоянии, т.е. в состоянии полного наполнения оболочки газом, что дополнительно повышает мобильность РТРС, т.е. обеспечивает возможность достижения указанного технического результата.

Изобретения относятся к области радиотехники. Ретранслятор предназначен для использования в сетях мобильной УКВ радиосвязи с использованием воздушных летательных аппаратов легче воздуха (ВЛА ЛВ), турникетный излучатель (ТИ) предназначен для использования в составе антенной решетки (АР) ретранслятора радиосигналов (РТРС). Техническим результатом является повышение мобильности РТРС. РТРС состоит из блока станций ретрансляции, блоков автоматизированного управления (БАУ) ретранслятором, блока управления параметрами антенн, блока управления (БУ) воздушным летательным аппаратом, антенный модуль, который размещен на воздушном летательном аппарате и который состоит из первой и второй N-элементных кольцевых антенных решеток, элементы которых выполнены в виде турникетных излучателей, каждый из которых содержит два ортогонально установленных пластинчатых симметричных вибратора. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Ретранслятор радиосигналов, содержащий блок станций ретрансляции, блок автоматизированного управления ретранслятором, управляющие входы и выходы которого подключены к соответствующим входам и выходам блоков ретранслятора, блок электропитания и размещенный на воздушном летательном аппарате антенный модуль, отличающийся тем, что воздушный летательный аппарат выполнен в виде привязного аэростата, скрепленного с установленным на подвижном грунтовом объекте блоком управления воздушным летательным аппаратом, дополнительно введен блок управления параметрами антенны, шины управляющих входов которого «уровень сигнала 1», «уровень сигнала 2», «антенна 1», «антенна 2», «фаза 1», «фаза 2», «усилитель 1», «усилитель 2» подключены к одноименным управляющим выходам блока автоматизированного управления ретранслятором, шины управляющих выходов «станция 1», «станция 2» которого подключены к управляющим входам соответственно «станция 1», «станция 2» блока станции ретрансляции, шины сигнальных выходов «сигнал 1» и «сигнал 2» которого подключены к одноименным сигнальным входам блока управления параметрами антенны, первый и второй N-разрядные выходы/входы которого подключены к одноименным N-разрядным входам/выходам антенного модуля, где N≥2, шины управляющих входов «азимут», «сеть», «высота» блока управления воздушным летательным аппаратом подключены к одноименным управляющим выходам блока автоматизированного управления ретранслятором, который дополнительно снабжен входной шиной «исходные данные», причем
антенный модуль состоит из первой и второй N-элементных кольцевых антенных решеток; элементы которых выполнены в виде турникетных излучателей, входы/выходы которых являются соответственно первым и вторым N-разрядными входами/выходами антенного модуля.

2. Ретранслятор по п.1, отличающийся тем, что блок управления параметрами антенн состоит из измерителя уровня сигнала, первый и второй управляющие входы которого являются управляющими входами соответственно «уровень сигнала 1» и «уровень сигнала 2» блока управления параметрами антенн, высокочастотного коммутатора, первый и второй управляющие входы которого являются управляющими входами соответственно «антенна 1» и «антенна 2» блока управления параметрами антенн, фазовращателя, первый и второй управляющие входы которого являются управляющими входами соответственно «фаза 1» и «фаза 2» блока управления параметрами антенн, и усилителя, первый и второй управляющие входы которого являются управляющими входами соответственно «усилитель 1» и «усилитель 2» блока управления параметрами антенн, первый и второй N-разрядные сигнальные выходы/входы которого являются одноименными сигнальными выходами/входами измерителя уровня сигнала, а первый и второй сигнальные входы усилителя являются сигнальными входами соответственно «сигнал 1» и «сигнал 2» блока управления параметрами антенн, причем усилитель, фазовращатель, высокочастотный коммутатор и измеритель уровня сигнала соединены каскадно по первому и второму N-разрядным сигнальным входам.

3. Ретранслятор по п.1, отличающийся тем, что блок станций ретрансляции состоит из первой и второй станций ретрансляции, сигнальные выходы и управляющие входы которых являются соответственно сигнальными выходами «сигнал 1», «сигнал 2» и управляющими входами «станция 1», «станция 2» блока станций ретрансляции.

4. Ретранслятор по п.1, отличающийся тем, что блок управления воздушным летательным аппаратом состоит из измерителей азимута, высоты и исполнительного механизма, управляющие входы измерителя высоты, измерителя азимута и исполнительного механизма являются управляющими входами «азимут», «высота», «сеть» блока управления воздушным летательным аппаратом, а управляющие выходы измерителей азимута и высоты подключены к входам «подъем», «спуск», «+азимут», «-азимут» исполнительного механизма.

5. Турникетный ультракоротковолновый излучатель, содержащий два ортогонально установленных симметричных вибратора, каждый из которых снабжен компенсирующим элементом, установленным симметрично относительно точек подключения к фидеру плеч соответствующего симметричного вибратора, отличающийся тем, что плечи симметричных вибраторов и компенсирующие элементы выполнены из металлических пластин, размещенных в одной плоскости, каждое плечо симметричных вибраторов выполнено в форме треугольной пластины высотой Н_п и с углом α при его вершине, подключенной к фидеру, a каждый компенсирующий элемент состоит из двух треугольных пластин, установленных по обе стороны плеч соответствующего симметричного вибратора, треугольные пластины каждого компенсирующего элемента с длинами оснований D_э, высотами Н_э, и с углами β при вершинах, примыкающих к точкам подключения плеч симметричных вибраторов к фидеру, электрически соединены друг с другом, а их кромки, примыкающие к кромкам плеч симметричных вибраторов, разделены воздушным зазором Δ, причем пересекающиеся поверхности компенсирующих элементов, принадлежащие ортогональным симметричным вибраторам, также электрически соединены и образуют единую металлическую поверхность, а в местах пересечения плоскостей плеч симметричных вибраторов и компенсирующих элементов в последних выполнены вырезы по форме пересекающей части соответствующего плеча симметричных вибраторов, причем пересекающаяся часть плеча симметричного вибратора размещена в соответствующем вырезе с воздушным зазором Δ между примыкающими кромками.

6. Турникетный УКВ излучатель по п.5, отличающийся тем, что высота Н_п и угол α каждого треугольного плеча симметричных вибраторов выбраны из условия H_п≥0,16λ_max, α=20°-30°, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн, длина основания D_э, высота Н_э и угол β каждой треугольной пластины компенсирующих элементов составляют D_э=(0,9÷1,2)H_п, Н_э=(0,18÷0,25)D_э и β=180°-α, а воздушный зазор Δ=(0,01÷0,02)Н_п.

7. Турникетный УКВ излучатель по п.6, отличающийся тем, что фидер подключен к турникетному излучателю с возможностью возбуждения одного из симметричных вибраторов или возбуждения симметричных вибраторов в фазовой квадратуре.