Аэростатная антенна

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и может быть использовано в качестве ненаправленной УКВ-антенны, поднимаемой летательным аппаратом легче воздуха. Цель изобретения - разработка аэростатной антенны, обеспечивающей широкополосную работу без применения дополнительных согласующих устройств. Антенна включает металлический контейнер 1, соосно с которым закреплен металлический стержень 2. По обе стороны от стержня размещены проводники 3. Верхние концы проводников 3 подключены к вершине стержня, нижние - к выходу с радиостанции. К корпусу контейнера подключены радиальные проводники 7, выполненные в форме петли. В антенне происходит взаимная компенсация реактивностей, чем достигается ее широкополосная работа с КБВ не менее 0,4 в 2,5-кратном диапазоне частот. Приведены соотношения геометрических размеров элементов конструкции. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и может быть использовано в качестве ненаправленной ультракоротковолновой (УКВ) антенны, поднимаемой летательными аппаратами, которые легче воздуха (аэростаты, зонды и т.п.), или в качестве антенны космического аппарата.

Известны слабонаправленные УКВ-антенны, в том числе используемые на аэростатах или космических аппаратах (Гильберг Л.А. Рябчиков Е.И. Советская космонавтика. М. Машиностроение, 1981; Пригода Б.А. Кокунько В.С. Антенны летательных аппаратов. М. Воениздат, 1979, с.130-157). Известные аналоги представляют собой различного рода излучатели (шлейфовые, петлевые, штыревые и т.д.), установленные на корпусе контейнера, в котором размещена радиоаппаратура. Антенны отличаются простотой конструкции и формируют диаграмму направленности (ДН) требуемой формы.

Недостатком указанных аналогов является их малая диапазонность, что ограничивает их использование совместно о диапазонными радиосредствами. Попытки же добиться требуемой диапазонности приводят к неоправданному увеличению габаритов и массы устройства.

Наиболее близкой по своей технической сущности к выявленной является известная УКВ слабонаправленная антенна (Резников Г.Б. Антенны летательных аппаратов. М. Сов.радио, 1967, с.288-290, рис.7.14).

Антенна-прототип представляет собой контейнер с металлическим корпусом. Параллельно продольной оси контейнера над его поверхностью расположены прямолинейные проводники. Выход радиостанции, расположенной в контейнере, подключен к одному из концов каждого проводника. При такой конструкции антенну можно представить в виде шлейфового излучателя, для которого роль противовеса играет металлический корпус контейнера.

Недостатком прототипа является его малый рабочий диапазон. Это объясняется тем, что система, образованная собственно корпусом контейнера и шлейфовым проводником, является острорезонансной. Входное сопротивление такой системы изменяется в широких пределах. Поэтому ее использование совместно с широкодиапазонной радиостанцией требует применения дополнительных блоков согласования. Помимо увеличения массы и габаритов контейнера это приведет к резкому снижению КПД устройства в целом.

Указанные недостатки практически исключают применение этой антенны для работы с диапазонными радиосредствами, поднимаемыми на летательных аппаратах легче воздуха (аэростатах, зондах и т.п.) Цель изобретения разработка слабонаправленной аэростатной антенны, обеспечивающей работу широкодиапазонной бортовой радиостанции с требуемым качеством согласования и приемлемыми массой и габаритами.

Поставленная цель достигается тем, что в известной антенне, включающей контейнер с металлическим корпусом, размещенную в нем радиостанцию и два проводника, подключенные к выходу радиостанции, соосно с контейнером установлен металлический стержень. Конец металлического стержня, примыкающий к металлическому корпусу контейнера, связан с ним механически и электрически. Два проводника расположены симметрично относительно металлического стержня. Верхние концы проводников электрически связаны с верхним концом металлического стержня, а нижние соединены друг с другом и подключены к выходу радиостанции. К металлическому корпусу контейнера подключены радиальные проводники. Каждый радиальный проводник выполнен в форме петли, концы которой подключены к боковой поверхности металлического корпуса контейнера. Каждый радиальный проводник совместно с боковой поверхностью металлического корпуса контейнера образует прямоугольный треугольник, горизонтальный катет которого ориентирован в одной плоскости с нижним основанием контейнера. Расстояние от нижнего основания контейнера до периферийного конца каждого из радиальных проводников выбрано равным четверти средней длины волны рабочего диапазона волн λ_ср, а угол между двумя примыкающими друг к другу радиальными проводниками составляет не более 45^o.

Проводники, размещенные симметрично относительно металлического стержня, могут быть выполнены в виде пластин. Длина пластин L должна выбираться не менее 0,18 от максимальной длины волны рабочего диапазона волн λ_макс. Плоскости пластин должны быть ориентированы в одной плоскости с металлическим стержнем. Расстояние между внешними кромками пластин составляет (0,45-0,55)L, а между примыкающими кромками (1,5-2,0)d, где d диаметр поперечного сечения металлического стержня. Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает при минимально возможных массогабаритных показателях конструкции широкодиапазонную работу антенны без применения каких-либо специальных согласующих устройств за счет взаимной компенсации реактивностей, обусловленных различными элементами антенны.

На фиг.1 показан общий вид антенны; на фиг.2 варианты выполнения элементов конструкции антенны; на фиг.3 вариант установки антенны на аэростате; на фиг.4 и 5 результаты экспериментальных исследований.

Аэростатная антенна (фиг.1) состоит из контейнера 1 с металлическим корпусом (в общем случае контейнер может иметь форму куба, параллелепипеда, цилиндра и т.п.). На фиг.1 контейнер изображен в форме прямого параллелепипеда. Соосно (по оси О-О") с корпусом контейнера 1 установлен металлический стержень 2 с диаметром поперечного сечения d. Нижний конец металлического стержня 2 электрически и механически скреплен верхним основанием металлического корпуса контейнера 1. Параллельно металлическому стержню 2 симметрично относительно его оси установлены два проводника 3.

Проводники могут быть реализованы в различной форме: стержней с круглым поперечным сечением (фиг.2а), параллельных тонких проводников (фиг.2б), или пластин шириной k (фиг.2в). Из эксплуатационных соображений предпочтительным является выполнение проводников 2 в виде пластин шириной k и длиной L ≥ 0,18 λ_макс (фиг.1 и фиг.2в). Плоскости пластин ориентированы в одной плоскости с металлическим стержнем 2 (сечение С-С на фиг.1). Расстояние B между внешними кромками и расстояние b между примыкающими кромками пластин 3 выбрано из условий В= (0,45-0,55)L, b=(1,5-2,0)d. Ширина пластины k=(0,2-0,25)L. Верхние концы проводников 3 с помощью перемычек 4 электрически связаны с верхним концом металлического стержня 2. Нижние концы проводников 3 соединены кольцевой перемычкой 5 электрически друг с другом и подключены к выходу радиостанции через клемму 6, выведенную на корпус контейнера 1. Зазор m между корпусом контейнера 1 и нижними кромками проводников 3 выбирается из конструктивных соображений минимально возможных размеров. Оптимальным является m= (1,0-1,5)d.

К металлическому корпусу контейнера подключены радиальные проводники 7, расположенные равномерно па окружности через угол α. В общем случае форма радиальных проводников может быть различной: в виде прямолинейных проводников, треугольных пластин и т.п. Число проводников выбирается исходя из учета требуемых массогабаритных показателей и достижения их эффективности как противовесов антенны. Оптимальным является число противовесов равное восьми, т. е. когда α = 45° Дальнейшее увеличение их числа не имеет смысла, так как влияние противовесов с большим числом проводников на параметры антенны практически остается неизменным. Длина радиальных проводников L_пр от оси О-О" до их периферийных концов должна составлять L_пр = 0,25λ_ср. Диаметр проводов, из которых выполнены радиальные проводники, выбирают только из конструктивных и массогабаритных соображений.

В варианте (фиг. 1) каждый радиальный проводник выполнен в виде петли, концы которой (в точках p, p") подключены к металлическому корпусу контейнера 1. Каждый радиальный проводник 7 совместно с боковой поверхностью контейнера 1 образует прямоугольный треугольник. Горизонтальные катеты всех треугольников расположены в одной плоскости с нижним основанием контейнера.

Периферийные вершины треугольников (точки "б") в плане расположены по окружности с радиусом L_пр = 0,25λ_ср. Центр этой окружности расположен на оси О-О" в центре нижнего основания контейнера 1 (точка "г"). Угол β между гипотенузой и горизонтальным катетом в треугольниках, образованных радиальными проводниками 7, выбирается в пределах b20-30^o.

Аэростатная антенна работает следующим образом.

При включении радиостанции ее выход оказывается нагруженным на комплексное сопротивление Z_a. В свою очередь Z_a есть результирующее сопротивление, обусловленное сопротивлениями Z_кз и Z_в, причем Z_кз сопротивление, связанное с протеканием противофазных токов вдоль короткозамкнутых (кз) линий, образованных металлическим стержнем 2 и проводниками 3, а Z_в сопротивление, связанное с протеканием однотактной волны тока в вибраторе из двух плеч, первое из которых также сформировано элементами 2 и 3, второе корпусом контейнера с радиальными проводниками. При этом Z_кз подключено к выходу радиостанции непосредственно, а Z_в с некоторым коэффициентом трансформации М. Значение М зависит от соотношения диаметра металлического стержня 2 и эквивалентного диаметра проводников 3, а также от величины зазора между поверхностью стержня 2 и примыкающими к нему кромками проводников 3. В случае, если проводники 3 в сечении круглые, их эквивалентный диаметр равен истинному. При выполнении проводников в виде пластин или совокупности тонких проводников эквивалентный диаметр рассчитывается по известным формулам (Гавеля Н.П. Истрашкин А.Д. и др. Антенны. Ч. 1. Л. ВКАС, 1978, с. 170). Здесь на с. 263-267 также изложены правила расчета коэффициента трансформации М. Сопротивления Z_в и Z_кз подключены к выходу радиостанции параллельно, т.е.

1/Z_а 1/Z_кз + 1/(М²Z_в). (1) Реактивные составляющее Z_кз и Z_в в диапазоне частот имеют обратные знаки. Поэтому при указанных выше соотношений размеров элементов конструкции антенны достигается в широком диапазоне частот взаимная компенсация реактивностей и возможность достижения высокого уровня согласования (коэффициента бегущей волны КБВ) без применения дополнительных блоков настройки. Дополнительно диапазонные свойства данной антенны улучшаются и за счет выбора описанной формы радиальных проводников. Действительно, эквивалентный вибратор, по которому протекает однодольная волна тока, можно в первом приближении рассматривать как самодополнительную структуру, обладающую, как известно, относительным постоянством внутренних параметров в диапазоне частот.

Обоснование возможности достижения поставленной цели проверено на опытном образце заявленной антенны и прототипа путем измерения качества их согласования и ДН. Опытный образец был предназначен для работы в диапазоне частот 375-900 МГц, т.е.

l_макс = 0,8 m; λ_ср = 0,47 m. Волновое сопротивление выхода радиостанции ρ50 Ом. Контейнер куб с высотой грани 0,08 м. Макет антенны имел следующие размеры элементов конструкции, мм: L=144; В=72; d=5,8; b=11, k=30,5; L_пр=117,5.

Количество радиальных проводников восемь, каждый из которых выполнен из медной трубки с внешним диаметром 4 мм, угол a45^o. Проводники 3 выполнены из медной пластины толщиной 0,5 мм.

В макете прототипа два шлейфовых вибратора длиной 70 мм устанавливались непосредственно над корпусом контейнера и подключались к выходу радиостанции в параллель.

Результаты измерений, показанные на фиг.4 (КБВ) и фиг.5 (ДН), подтверждают возможность достижения цели. КБВ ≥ 0,4 достигается в полосе частот с 2,5-кратным перекрытием (примерно в четыре раза шире чем в прототипе). Антенна обеспечивает практически однородную ДН в азимутальной плоскости. Одновременно элементы собственно антенны увеличивают массу контейнера не более чем на 5% При использовании четырех фалов антенна сохраняет стабильное положение в развернутом виде (фиг.3).

Использование антенны обеспечит устойчивую и эффективную работу радиоканалов связи с использованием аэростатных радиоретрансляторов.

Формула изобретения

1. Аэростатная антенна, содержащая контейнер с металлическим корпусом и размещенной в нем радиостанцией и два проводника, подключенных к выходу радиостанции, отличающаяся тем, что соосно с контейнером установлен металлический стержень, который нижним концом механически и электрически связан с металлическим корпусом контейнера, а два проводника расположены симметрично относительно металлического стержня и их верхние концы электрически соединены с верхним концом металлического стержня, а нижние соединены друг с другом и подключены к выходу радиостанции, кроме того, к металлическому корпусу контейнера подключены радиальные проводники.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что каждый из двух проводников выполнен в виде пластины длиной L не менее 0,18 от максимальной длины волны рабочего диапазона волн, причем расстояние между внешними кромками пластин выбрано в пределах (0,45 0,55) L, а между примыкающими (1,5 2) d, где d диаметр поперечного сечения металлического стержня.

3. Антенна по пп.1 и/или 2, отличающаяся тем, что каждый из радиальных проводников выполнен в форме петли, подключенной концами к боковой поверхности металлического корпуса контейнера и образующей с ней прямоугольный треугольник, горизонтальный катет которого расположен в одной плоскости с нижним основанием контейнера, причем расстояние от центра последнего до периферийного конца каждого из радиальных проводников выбрано равным четверти средней длины волны рабочего диапазона волн, а угол между двумя примыкающими радиальными проводниками составляет не более 45^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5