КОРОТКОВОЛНОВАЯ ДИАПАЗОННАЯ ВСЕНАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА Российский патент 2018 года по МПК H01Q11/10 

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнике и может быть использовано в приемопередающих узлах радиосвязи гектометрового и декаметрового диапазонов длин волн (ƒ_ДРЧ=1,5…30 МГц) стационарного и мобильного базирования, работающих как пространственной ионосферной волной, так и поверхностной волной в нижней части диапазона рабочих частот Δƒ_ДРЧ=1,5…10 МГц.

В качестве диапазонных антенн узлов радиосвязи преимущественно стационарного базирования в коротковолновом диапазоне длин волн (КВ) нашли распространение различные варианты комплексов логопериодических антенн с коэффициентом перекрытия по частоте ≥7 и горизонтальным (нормальным) расположением вибраторов, каждая из которых содержит до шести металлических антенно-мачтовых устройств с соответствующим такелажем (высота мачт башенного типа достигает 108 метров), верхнее и нижнее рабочие полотна, выполненные на основе прямолинейных проволочных логопериодических структур, механически соединены с металлическими антенно-мачтовыми устройствами, при этом питание ЛПА осуществляется со стороны логопериодических структур (верхнего и нижнего рабочих полотен) с минимальными размерами зубцов (вибраторов) [1, 2].

Однако известные антенны характеризуются низким значением коэффициента направленного действия при работе поверхностной волной (вследствие влияния т.н. эффекта «отжатая» горизонтально поляризованного электромагнитного поля) и существенной зависимостью характеристик направленности антенны от параметров подстилающей поверхности (грунта) [1]. Эти недостатки в значительной степени ослаблены в логопериодических диапазонных антеннах с параллельной (вертикальной) поляризацией излучаемых / принимаемых радиоволн - вертикальных логопериодических антеннах [2, 3].

Существенным недостатком этого типа логопериодических антенн, препятствующим их реализации в мобильном варианте исполнения, является необходимость использования металлических заземленных мачт высотой Н_АМУ, определяемой нижним значением диапазона рабочих частот и, как следствие, соответствующей длиной L_max низкочастотного вибратора (L_max ≈ λ_макс/2; λ_макс = 200 м; Н_АМУ > L_max > 100 метров). Другим общим недостатком рассмотренных типов антенн, усложняющим их использование как в стационарном, так и в мобильном вариантах исполнения, является их выраженная однонаправленность [1, 2, 3].

Наиболее близкой по технической сущности предлагаемого технического решения является коротковолновая диапазонная всенаправленная антенна (КВ ДВА), характеризующаяся наличием следующих признаков, общих с заявляемым объектом:

мачта с такелажем (антенно-мачтовое устройство - АМУ); силовые тросы (лееры, выполненные из стального канатика, секционированного изоляторами), верхние концы которых механически соединены с вершиной АМУ, нижние концы лееров механически соединены с леерными анкерами; устройства питания механически соединены со стойками, обеспечивающими размещение устройств питания над подстилающей поверхностью (предпольем); устройства питания расположены горизонтально над подстилающей поверхностью (предпольем), образованной системой размещенных на поверхности земли проводов, и электрически соединены с нижними концами вертикальных несимметричных вибраторов, верхние концы которых через дополнительные изоляторы механически соединены с соответствующими секциями лееров, при этом входы устройств питания являются входами антенны [4].

Однако для реализации такой антенны в требуемом диапазоне рабочих частот необходима мачта высотой Н_АМУ ≈ (60…75) метров, что сложно реализовать в мобильном варианте исполнения антенны. Кроме того, КВ ДВА такого типа характеризуются низкой эффективностью работы совокупности вертикальных вибраторов (обычно выполненных из антенного канатика) в нижней части диапазона рабочих частот Δƒ_ДРЧ=1,5…10 МГц при работе земной волной.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение мобильности и оперативности развертывания / свертывания КВ ДВА, а также увеличение эффективности излучения / приема радиосигналов в диапазоне рабочих частот Δƒ_ДРЧ=1,5…10 МГц при работе КВ ДВА земной волной.

Техническим результатом, полученным при реализации предлагаемого технического решения, является повышение мобильности и оперативности развертывания / свертывания КВ ДВА, а также увеличение эффективности излучения / приема радиосигналов при работе КВ ДВА земной волной.

Решение поставленной задачи достигается тем, что известная коротковолновая диапазонная всенаправленная антенна (КВ ДВА, прототип), содержащая мачту с такелажем (антенно-мачтовое устройство - АМУ); антенные элементы, каждый из которых содержит силовой трос (леер, выполненный из стального канатика, секционированного изоляторами), верхний конец которого механически соединен с вершиной АМУ, нижний конец леера механически соединен с леерным анкером; устройство питания (распределительный фидер питания - фидер) механически соединен со стойками, обеспечивающими размещение фидера над подстилающей поверхностью (предпольем); фидер электрически соединен с нижними концами вертикальных несимметричных вибраторов, верхние концы которых через дополнительные изоляторы механически соединены с соответствующими секциями леера, при этом входы фидеров питания являются входами антенных элементов КВ ДВА, фидеры питания расположены горизонтально над подстилающей поверхностью (предпольем), образованной системой размещенных на поверхности земли проводов, согласно предмету изобретения содержит три антенных элемента, концы лееров которых равномерно распределены по окружности через 120°, в каждый антенный элемент введены по два дополнительных леера, выполненных из высокопрочного диэлектрического жгута и соединяющих вершину АМУ с двумя дополнительными анкерами; а также диапазонный вибратор, выполненный из антенного канатика в виде двух треугольных равнобедренных (первой и второй) рамок, размещенных на определенном расстоянии от наибольшего вертикального несимметричного вибратора из состава антенного элемента антенны КВ ДВА в плоскости, перпендикулярной плоскости размещения фидера питания и вертикальных несимметричных вибраторов, при этом верхние углы (вершины) рамок диапазонного вибратора механически соединены с соответствующими дополнительными леерами, смежные стороны рамок (нисходящая сторона В первой рамки и восходящая сторона А второй рамки) электрически объединены и подключены к соответствующему проводу двухпроводного фидера питания, ко второму проводу которого подключена середина провода, электрически соединяющая третьи, горизонтально размещенные над подстилающей поверхностью (предпольем), стороны С треугольных рамок, причем фидеры питания, вертикальные несимметричные вибраторы и диапазонные вибраторы образуют три вертикальных несимметричных логарифмически-периодических структуры приема / излучения сигналов, характеризующихся коэффициентом подобия τ.

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что предмет изобретения отличается тем, что КВ ДВА содержит три антенных элемента, концы лееров которых равномерно распределены по окружности через 120°, в каждый антенный элемент введены по два дополнительных леера, выполненных из высокопрочного диэлектрического жгута и соединяющих вершину АМУ с двумя дополнительными анкерами; а также диапазонный вибратор, выполненный из антенного канатика в виде двух треугольных равнобедренных (первой и второй) рамок, размещенных на определенном расстоянии от наибольшего вертикального несимметричного вибратора из состава антенного элемента антенны КВ ДВА в плоскости, перпендикулярной плоскости размещения фидера питания и вертикальных несимметричных вибраторов, при этом верхние углы (вершины) рамок диапазонного вибратора механически соединены с соответствующими дополнительными леерами, смежные стороны треугольных рамок диапазонного вибратора (нисходящая сторона В первой рамки и восходящая сторона А второй рамки) электрически объединены и подключены к соответствующему проводу двухпроводного фидера питания, ко второму проводу которого подключена середина провода, электрически соединяющая третьи, горизонтально размещенные над подстилающей поверхностью (предпольем), стороны С треугольных рамок, причем распределительные фидеры питания, вертикальные несимметричные вибраторы и диапазонные вибраторы образуют три вертикальных несимметричных логарифмически-периодических структуры диапазонного всенаправленного приема / излучения сигналов, характеризующихся коэффициентом подобия τ.

На фиг. 1 представлен вид сверху предлагаемой коротковолновой диапазонной всенаправленной антенны (КВ ДВА). На фиг. 2 представлена вертикальная проекция (вид сбоку) одного элемента КВ ДВА. На фиг. 3 представлен фронтальный вид диапазонного вибратора. На фигурах 1, 2 и 3 обозначено: антенно-мачтовое устройство (АМУ) 1; лееры 2 (силовые тросы, выполненные из стального канатика, секционированного изоляторами 3), нижние концы которых механически соединены с леерными анкерами 4; распределительные фидеры питания 5 механически соединены со стойками 6, распределительные фидеры питания 5 электрически соединены с нижними концами вертикальных вибраторов 7₁, …, 7_n (n - количество вертикальных вибраторов в одном элементе КВ ДВА), верхние концы которых через дополнительные изоляторы 8₁, …, 8_n механически соединены с соответствующими секциями лееров 2; распределительные фидеры питания 5 расположены горизонтально на определенной высоте над подстилающей поверхностью (предпольем) 9, образованной системой размещенных на поверхности земли проводов 10, верхние концы дополнительных лееров 11, выполненных из высокопрочного диэлектрического жгута, механически соединены с вершиной АМУ 1, а их нижние концы механически соединены с дополнительными анкерами 12; диапазонные вибраторы 13, каждый из которых выполнен из антенного канатика в виде двух треугольных равнобедренных (первой 13₁ и второй 13₂) рамок, размещенных на определенном расстоянии от наиболее высокого вертикального несимметричного вибратора 7_n, в плоскости, перпендикулярной плоскости размещения несимметричных вибраторов 7₁, …, 7_n и распределительных фидеров питания 5, при этом каждая из вершин треугольных равнобедренных рамок 13₁ и 13₂ диапазонного вибратора 13 механически соединена с соответствующими дополнительными леерами 11, смежные стороны треугольных равнобедренных рамок (нисходящая сторона В первой рамки 13₁ и восходящая сторона А второй рамки 13₂) электрически объединены и подключены к соответствующим проводам двухпроводных распределительных фидеров питания 5, ко вторым проводам которых подключены центры проводов, образованных электрически соединенными третьими, горизонтально размещенными над подстилающей поверхностью, сторонами С треугольных равнобедренных рамок 13₁ и 13₂. Геометрия и положение диапазонных вибраторов 13 в пространстве обеспечивается формообразующими анкерами 14.

Диапазонный вибратор 13, выполненный в виде двух треугольных равнобедренных рамок 13₁ и 13₂, является несимметричным вариантом самодополнительных структур, электрические характеристики которых определяются соотношением значений высоты образующих рамок h_p и суммарной длины третьих (нижних), горизонтально размещенных над подстилающей поверхностью 9, сторон С треугольных равнобедренных рамок 13₁ и 13₂. Нижнее значение диапазона рабочих частот такого вибратора определяется следующими соотношениями: ; h_p≥λ_макс/8 (где: - геометрическая длина нижней стороны С (высота) треугольной рамки; λ_макс - длина волны, соответствующая минимальному значению рабочей частоты принимаемого / излучаемого радиосигнала). Оптимальным значением углов 5 подъема / снижения проводников, образующих треугольную равнобедренную рамку диапазонного вибратора, является угол δ ≈ (40…45)°. Следовательно, при значении δ=45° и λ_макс=200 м необходимая высота размещения вершин треугольных рамок, образующих диапазонный вибратор, составит h_p=12,5 м, что позволит, используя АМУ высотой Н_АМУ ≤20 м, реализовать диапазон рабочих частот Δƒ_ДРЧ = 1,5…30 МГц.

КВ ДВА образована тремя логарифмически-периодическими структурами приема / излучения сигналов с заданного направления (на фиг. 1 биссектрисы азимутальных углов приема / излучения сигналов обозначены буквами α, β, γ) в азимутальном секторе ΔФ ≈ 120° (±60°) относительно биссектрис азимутальных углов приема / излучения сигналов. Каждая логарифмически-периодическая структура приема / излучения сигналов содержит совокупность распределительного фидера питания, выполненного в виде двухпроводной линии, запитываемой с помощью коаксиальной линии (проходит внутри одного из трубчатых проводов двухпроводной линии), вертикальных, знакопеременных (относительно возбуждаемых / подводимых напряжений) по длине распределительного фидера питания несимметричных вибраторов 7₁, …, 7_n и диапазонного вибратора 13, размещенных на расстояниях (считая от несимметричного вибратора с минимальной высотой) R₁, R₂, …, R_n-1, R_n, R_n+1 (фиг. 2). Значения расстояний R₁, R₂, …, R_n-1, R_n, R_n+1 определяются логарифмическим периодическим законом с периодом (коэффициентом подобия) τ {значение τ определяется из выражения lg (τ)=lg (R_n-1/R_n)}. Знакопеременное электрическое подключение смежных вертикальных несимметричных вибраторов (диапазонного вибратора - в том числе) к проводам двухпроводной линии создает необходимый фазовый сдвиг токов в группе активных (относительно частоты принимаемого / излучаемого сигнала) вибраторов для направленного приема / излучения радиосигналов.

Опытный образец приемопередающей КВ ДВА был разработан на основе модифицированного телескопического антенно-мачтового устройства типа Б-13 (телескопическая мачта производства АО «РЕЛЕРО», г. Омск; с доработкой серийных оттяжек путем их секционирования с помощью орешковых изоляторов, а также увеличения до 23-х метров общей высоты АМУ) и характеризовался следующими показателями:

- количество вертикальных несимметричных вибраторов (в одном элементе антенны) - 13 шт.;

- длина распределительного фидера питания - 25,7 метра;

- высота диапазонного вибратора - 12,5 метров;

- суммарная длина диапазонного вибратора (вдоль подстилающей поверхности) - 50 метров;

- коэффициент подобия τ=0,86;

- дополнительные лееры изготовлены из синтетического высокопрочного каната типа КС-6 [5];

Источники информации

1. Айзенберг Г.З. и др. Коротковолновые антенны. - М.: «Радио и связь». - 1985. - 536 с.

2. Гвоздев И.Н., Муравьев Ю.К., Серков В.П., Чернолес В.П. Характеристики антенн радиосистем связи. - Ленинград: Изд. ВАС. - 1978. - 231 с.

3. Панько B.C., Саломатов Ю.П., Сугак М.И. Сверхширокополосные дуговые фазированные антенные решетки КВ-диапазона на основе логопериодических излучателей // Электросвязь. - 2011. - №8. - С. 38-43.

4. Антенна ФАР8 - КВ. АЖИТ.464600.004. - 2004 г. - 11 с.

5. Канаты синтетические. Технические условия 8121-008 51605609-2000 ТУ.

Изобретение относится к антенной технике. Антенна содержит антенно-мачтовое устройство, антенные элементы, каждый из которых содержит леер, выполненный из стального канатика, секционированного изоляторами, верхний конец которого механически соединен с вершиной антенно-мачтового устройства, нижний конец леера механически соединен с леерным анкером. Распределительный фидер питания механически соединен со стойками, соединенный с нижними концами вертикальных несимметричных вибраторов, верхние концы которых через дополнительные изоляторы механически соединены с соответствующими секциями леера. Входы распределительных фидеров являются входами антенных элементов. Фидеры питания расположены горизонтально над подстилающей поверхностью, образованной системой, размещенных на поверхности земли проводов. Также содержит три антенных элемента, концы лееров которых равномерно распределены по окружности через 120°, в каждый антенный элемент введены по два дополнительных леера, выполненных из высокопрочного диэлектрического жгута и соединяющих вершину антенно-мачтового устройства с двумя дополнительными анкерами. Диапазонный вибратор, выполненный из антенного канатика в виде двух - первой и второй треугольных равнобедренных рамок, размещенных на определенном расстоянии от наибольшего вертикального несимметричного вибратора из состава антенного элемента в плоскости, перпендикулярной плоскости размещения распределительного фидера питания и вертикальных несимметричных вибраторов, при этом верхние углы каждой из треугольных рамок диапазонного вибратора механически соединены с соответствующими дополнительными леерами, смежные стороны рамок: нисходящая сторона В первой треугольной рамки и восходящая сторона А второй треугольной рамки электрически объединены и подключены к соответствующему проводу двухпроводного фидера питания, ко второму проводу которого подключена середина провода, электрически соединяющая третьи, горизонтально размещенные над подстилающей поверхностью, стороны С треугольных рамок диапазонного вибратора. Технический результат заключается в повышении мобильности и оперативности развертывания антенны, а также увеличение эффективности излучения/приема радиосигналов. 3 ил.

Коротковолновая диапазонная всенаправленная антенна, далее - КВ ДВА, содержащая антенно-мачтовое устройство, антенные элементы, каждый из которых содержит леер, выполненный из стального канатика, секционированного изоляторами, верхний конец которого механически соединен с вершиной антенно-мачтового устройства, нижний конец леера механически соединен с леерным анкером; распределительный фидер питания механически соединен со стойками, обеспечивающими размещение распределительного фидера питания над подстилающей поверхностью, распределительный фидер питания электрически соединен с нижними концами вертикальных несимметричных вибраторов, верхние концы которых через дополнительные изоляторы механически соединены с соответствующими секциями леера, при этом входы распределительных фидеров питания являются входами антенных элементов KB ДВА, распределительные фидеры питания расположены горизонтально над подстилающей поверхностью, образованной системой размещенных на поверхности земли проводов, отличающаяся тем, что содержит три антенных элемента, концы лееров которых равномерно распределены по окружности через 120°, в каждый антенный элемент введены по два дополнительных леера, выполненных из высокопрочного диэлектрического жгута и соединяющих вершину антенно-мачтового устройства с двумя дополнительными анкерами; а также диапазонный вибратор, выполненный из антенного канатика в виде двух - первой и второй треугольных равнобедренных рамок, размещенных на определенном расстоянии от наибольшего вертикального несимметричного вибратора из состава антенного элемента в плоскости, перпендикулярной плоскости размещения распределительного фидера питания и вертикальных несимметричных вибраторов, при этом верхние углы каждой из треугольных рамок диапазонного вибратора механически соединены с соответствующими дополнительными леерами, смежные стороны рамок: нисходящая сторона В первой треугольной рамки и восходящая сторона А второй треугольной рамки электрически объединены и подключены к соответствующему проводу двухпроводного фидера питания, ко второму проводу которого подключена середина провода, электрически соединяющая третьи, горизонтально размещенные над подстилающей поверхностью, стороны С треугольных рамок диапазонного вибратора, причем распределительные фидеры питания, вертикальные несимметричные вибраторы и диапазонные вибраторы образуют три вертикальных несимметричных логарифмически-периодических структуры приема / излучения сигналов, характеризующихся коэффициентом подобия τ.