УКВ ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА Российский патент 2018 года по МПК H01Q9/30 

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано в качестве антенны аппаратуры радиосвязи на подвижных объектах гражданского и военного назначения, в том числе морских и речных судах, автотранспорте, а также на береговых объектах с ограниченной площадью, таких как маяки, полевые аэродромы.

Известна пневматическая антенна, которая содержит мачту в виде баллона из синтетического материала из прорезиненной ткани. Антенна содержит механизм сворачивания и соединена с системой подачи сжатого воздуха, причем излучатель антенны расположен на поверхности баллона, например описанная в книге Вершкова М.В. Судовые антенны, С.-Петербург, 2008, с. 133-134, рис. 3.9 а, б, в, а также патент России на полезную модель №142321.

Пневматические конструкции быстро приводятся в рабочее состояние, также быстро можно их свернуть, выпустив воздух из баллона. Для размещения такой антенны требуется небольшая площадь, т.е. ее можно использовать на подвижных объектах, но их надежность невысока из-за уязвимости баллона от механических повреждений в процессе эксплуатации.

Для антенн более приемлемыми являются телескопические мачты из металла. Антенны на таких мачтах будут достаточно прочными. Однако для использования металлической мачты в качестве антенны нужно решить вопрос с изоляцией ее основания, что на подвижных объектах выполнить достаточно сложно. Поскольку антенны радиосвязи на подвижных объектах должны быстро разворачиваться как в стационарных условиях, так и при движении, они должны противостоять большим ветровым нагрузкам. Поэтому изолятор в основании антенны испытывает большие механические нагрузки. Отказ от изолятора в основании антенны позволяет значительно упростить конструкцию антенны и повысить ее эксплуатационную надежность.

Известна антенна верхнего питания, состоящая из заземленной полой металлической мачты и оттяжек (см., например, А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов «Антенно-фидерные устройства», «Советское радио», 1974 г., стр. 194). Питание к антенне подводится с помощью фидера, проходящего внутри мачты и подключаемого к части проводов верхнего яруса оттяжек, прилегающих к вершине мачты (так называемая «верхняя нагрузка»). Минимальное количество оттяжек - три, расположенных, по возможности, равномерно вокруг мачты. Такая антенна прочна за счет отсутствия изолятора в основании мачты и наличия оттяжек, которые стабильно закрепляют мачту на поверхности. Она более надежна из-за отсутствия пневматического баллона, но ее трудно использовать на подвижных объектах, поскольку требуется большая поверхность для установки оттяжек, ее невозможно установить во время движения, а время установки антенны достаточно велико.

Наиболее близким аналогом к предлагаемой антенне является антенна по патенту России на полезную модель №161590 U1, опубликовано 27.04.2016.

Известная антенна содержит телескопическую мачту и верхнюю нагрузку, подключенную к высокочастотному фидеру, расположенному внутри мачты. Мачта выполнена из полых секций с возможностью подсоединения ее к системе подачи сжатого воздуха, верхняя секция мачты выполнена из диэлектрического материала, по ее нижнему краю по окружности установлена верхняя нагрузка в виде металлических штырей, которые закреплены с возможностью их поворота в вертикальной плоскости вверх.

Эта антенна достаточно эффективна, прочна, ее можно оперативно развернуть на подвижном объекте, в том числе, при движении и при наличии сильного ветра.

Рабочий диапазон частот fmax-fmin телескопической антенны зависит от высоты (длины) линейной части антенны в развернутом Lmax и собранном Lmin состояниях. В общем случае коэффициент частотного перекрытия, определяемый как к=fmax/fmin, для этой антенны, с учетом реальных конструктивных возможностей, получается порядка 4.

Однако для ряда подвижных объектов специального назначения требуется обеспечить значительно большее перекрытие по частоте, оставаясь при этом в пределах заданных размеров антенны (Lmax-Lmin).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание УКВ широкополосной эффективной антенны, которую можно оперативно развернуть на подвижном объекте, в том числе при движении в условиях сильных ветровых нагрузок, причем коэффициент частотного перекрытия К должен быть значительно увеличен при тех же линейных размерах мачты антенны (Lmax-Lmin).

Для решения этой задачи УКВ широкополосная антенна, как и ближайший аналог, содержит мачту из телескопических полых секций, верхняя секция мачты выполнена из диэлектрического материала, по ее окружности установлены металлические штыри в виде зонта, которые закреплены с возможностью их поворота в вертикальной плоскости вверх, причем нижняя часть металлических штырей подсоединена к высокочастотному фидеру, размещенному внутри мачты.

Отличие состоит в том, что она дополнительно содержит металлический вибратор, выполненный с возможностью подключения к высокочастотному фидеру, причем металлический вибратор расположен внутри мачты, нижний конец вибратора закреплен на изоляторе и расположен в нижней секции мачты, а верхний конец расположен с возможностью вертикального перемещения внутри верхней секции мачты из диэлектрического материала.

Отличие состоит также в том, что мачта снабжена механизмом ее сворачивания/разворачивания.

Отличие состоит также в том, что УКВ широкополосная антенна содержит дополнительный высокочастотный фидер, к которому подсоединен металлический вибратор.

Использование в комплексе телескопической мачты и вибратора переменной высоты позволяет в зависимости от частоты сигнала на входе антенны, коррелировано изменить высоту излучателя антенны до четверти длины волны сигнала на входе антенны (до λ/4) для работы в соответствующем диапазоне частот, оставаясь при этом в заданных линейных размерах.

На фиг. 1 приведено схематичное изображение вертикального разреза предлагаемой УКВ широкополосной антенны (далее - антенна). На фиг. 2 приведена антенна с верхним питанием в рабочем состоянии, которая работает в диапазоне частот от f₁ до f₂, на фиг. 3 - антенна с противовесом и приподнятой точкой питания в рабочем состоянии, которая работает в диапазоне частот от f₂ до f₃, на фиг. 4 - поперечное сечение А-А.

Антенна содержит мачту 1 из телескопических полых секций 2. Верхняя секция 3 мачты 1 выполнена из диэлектрического материала, например стеклопластика, по ее окружности установлены зонт 4 из металлических штырей. Металлические штыри зонта 4 закреплены с возможностью их поворота в вертикальной плоскости вверх, например, с помощью шарниров 5. Внутри полости мачты 1 расположен высокочастотный (ВЧ) фидер 6, к которому подключен зонт 4. ВЧ фидер 6 выполнен с возможностью подключения к передатчику с помощью разъема 7. Внутри верхней части нижней секции мачты 1 имеется изолятор 8, в котором установлен вибратор 9. Верх вибратора 9 соосно размещен внутри верхней секция 3 мачты 1 из диэлектрического материала, причем верхняя секция 3 при сворачивании/разворачивании мачты 1 может перемещаться вдоль вибратора 9. Вибратор 9 выполнен с возможностью подключения к второму ВЧ фидеру 10. Возможно подключение к вибратору 9 первого ВЧ фидера 6. Мачта 1 снабжена механизмом ее сворачивания/разворачивания 11. В качестве такого механизма можно использовать механический или электрический привод, а также подключить систему подачи сжатого воздуха с помощью специального разъема. ВЧ фидер свернут в спираль и плавно разворачивается/сворачивается. Возможно предусмотреть механизм для разворачивания/сворачивания ВЧ фидера.

Мачта 1 может быть выполнена, например, на основе пневматической телескопической мачты, состоящей из последовательно выдвигающихся под давлением сжатого воздуха металлических цилиндрических секций, изготовленных из тонкого прочного термически обработанного дюралюминиевого сплава (см., например, сайт компании "Пневматика", Россия, 117246, г. Москва, Научный проезд, д. 20, или сайт фирмы ООО Компания «РКТЦ», бренд «РадиоТехник», 195030, С.-Петербург, ул. Химиков, 28).

Высота секций 2 может составлять 0,8-1,5 м. Положение секций 2 антенны в рабочем состоянии в вертикальном положении может фиксироваться пружинными замками. Количество штырей зонта 4, их длина выбирается экспериментально при разработке, исходя из условия эффективного возбуждения мачты. Например, шесть штырей длиной 0.6-0.8 м.

В предлагаемом решении коэффициент частотного перекрытия антенны в процессе перестройки является функцией частоты сигнала (fc) на входе антенны. При этом, за счет соответствующей трансформации схемы антенны, можно обеспечить работу антенны в широком диапазоне частот (27-520 МГц) при заданных линейных размерах.

Работа антенны осуществляется следующим образом.

Антенну подключают к передатчику и к механизму сворачивания/разворачивания 11 мачты. Такое подключение можно осуществить таким образом, чтобы при включении передатчика одновременно включался компрессор и сжатый воздух поступал в мачту. Антенна разворачивается в соответствии с алгоритмом работы и готова к работе.

При работе в поддиапазоне частот 27-108 МГц (к₁=4) мачта 1 разворачивается, верхняя секция 3 выдвигается вверх, и штыри зонта 4 на шарнирах 5 откидываются в горизонтальное положение в виде зонта. Антенна в таком положении работает как антенна с верхним питанием. Зонт 4 в этом случае изолирован от мачты 1 и за счет емкостной связи с подстилающей поверхностью (землей) образует замкнутую цепь для циркуляции тока в цепи антенны. Для работы в этом поддиапазоне длина антенны (высота L) должна составлять четверть длины волны сигнала на входе антенны. Длина излучающей части мачты (Lизл.м.) отсчитывается от основания мачты и состоит из двух слагаемых: длины нижней секции мачты (постоянная величина) плюс длина разворачиваемой (телескопической) части мачты, при этом общая длина излучающей части мачты получается равной одной четвертой длины волны частоты сигнала на входе антенны: Lизл.м=λс/4. Фидер питания 6 внутри ствола мачты свернут в виде спирали и вытягивается (складывается) в процессе приведения антенны в рабочее состояние.

Для работы в поддиапазоне частот 108-520 МГц мачта сворачивается (опускают верхние секции 3 мачты 1, вибратор 9, перемещаясь внутри верхней секции 3 мачты, оказывается вверху (над верхней точкой мачты 1, а металлические штыри зонта 4, касаясь металлической части нижней секции, заземляется и выполняет функцию подстилающей поверхности для вибратора, так называемого «противовеса», участвуя совместно с вибратором в формировании основных характеристик антенны, и антенна работает как вибратор с противовесом и приподнятой точкой питания (к₂=5). Для работы в этом поддиапазоне длина вибратора 9 над верхней точкой мачты (Lизл.) также составляет четверть длины волны сигнала на входе антенны и изменяется путем опускания/подъема вибратора 9 или опускания/подъема верхних секций мачты 1.

Перестройка антенны может осуществляться вручную путем подъема/опускания секций мачты и вибратора. Этот процесс можно автоматизировать, используя данные о длине волны на входе антенны и установив соответствующие датчики, сигнализирующие о длине излучающей части мачты и длине вибратора над верхней точкой мачты.

При перестройке антенны обеспечивается ее согласование с фидером, питающим антенну, и требуемая форма диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости в виде лепестка, прижатого к подстилающей поверхности, для концентрации излучения антенны в направлении горизонта.

Широкополосные характеристики такой антенны равны произведению коэффициентов частотного перекрытия парциальных схем антенны, формируемых в процессе ее перестройки в рабочем диапазоне частот , что значительно выше того же коэффициента известной антенны, а линейные размеры мачты остаются прежними.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано в качестве антенны аппаратуры радиосвязи на подвижных объектах гражданского и военного назначения, в том числе морских и речных судах, автотранспорте, а также на береговых объектах с ограниченной площадью, таких как маяки, полевые аэродромы. Антенна содержит мачту из телескопических полых секций, верхняя секция мачты выполнена из диэлектрического материала, по ее окружности установлены металлические штыри в виде зонта, которые закреплены с возможностью их поворота в вертикальной плоскости вверх, причем нижняя часть металлических штырей подсоединена к высокочастотному фидеру, размещенному внутри мачты. Антенна также содержит металлический вибратор, выполненный с возможностью подключения к высокочастотному фидеру. Причем металлический вибратор расположен внутри мачты, его нижний конец закреплен на изоляторе и расположен в нижней секции мачты, а верхний конец расположен с возможностью вертикального перемещения внутри верхней секции мачты из диэлектрического материала. Технический результат заключается в возможности оперативно развернуть антенну на подвижном объекте, в том числе при движении в условиях сильных ветровых нагрузок, причем коэффициент частотного перекрытия К значительно увеличен при тех же линейных размерах мачты антенны (Lmax-Lmin). 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. УКВ широкополосная антенна, содержащая мачту из телескопических полых секций, верхняя секция мачты выполнена из диэлектрического материала, по ее окружности установлены металлические штыри в виде зонта, которые закреплены с возможностью их поворота в вертикальной плоскости вверх, причем нижняя часть металлических штырей подсоединена к высокочастотному фидеру, размещенному внутри мачты, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит металлический вибратор, выполненный с возможностью подключения к высокочастотному фидеру, причем металлический вибратор расположен внутри мачты, нижний конец вибратора закреплен на изоляторе и расположен в нижней секции мачты, а верхний конец расположен с возможностью вертикального перемещения внутри верхней секции мачты из диэлектрического материала.

2. УКВ широкополосная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что мачта снабжена механизмом ее сворачивания/разворачивания.

3. УКВ широкополосная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что содержит дополнительный высокочастотный фидер, к которому подсоединен металлический вибратор.