Бортовая декаметровая антенна подвижного объекта

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к бортовым декаметровым антеннам (БДМА) подвижных объектов (ПО). Техническим результатом является повышение КПД бортовой декаметровой антенны за счет более эффективного участия в излучении металлического корпуса подвижного объекта. Бортовая декаметровая антенна подвижного объекта содержит щель, вырезанную в его металлической поверхности, и установленный в металлизированном подкрышевом пространстве подвижного объекта промежуточный возбудитель, подключенный к блоку настройки и согласования, вход которого подключен к выходу бортовой радиостанции, отличающаяся тем, что промежуточный возбудитель выполнен в виде изогнутого в вертикальной плоскости проводника, установленного вдоль продольной оси симметрии подвижного объекта и подключенного одним концом к блоку настройки и согласования, а другим - к блоку дискретных реактивных нагрузок, средняя часть крышевой поверхности подвижного объекта выполнена диэлектрической, а к кромкам металлических частей крышевой поверхности, примыкающим к ее диэлектрической части, подключены экранирующие элементы, установленные над изогнутым проводником, причем между примыкающими друг к другу торцами экранирующих элементов в центре крышевой поверхности установлен диэлектрический зазор Δ. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и, в частности, заявленная бортовая декаметровая антенна (БДМА) подвижного объекта (ПО) может быть использована в качестве передающей ненаправленной бортовой антенны зенитного излучения совместно с радиостанцией декаметрового диапозона средней мощности, установленной на борту ПО, например автомобиля.

Известны БДМА, установленные на ПО, описанные в книге Гвоздев И.Н. и др. Характеристики антенн радиосистем связи. - Л-д.: ВАС, 1978, Табл. 77, 78, - С.101, 102. Указанные БДМА представляют собой малогабаритные излучатели (МГИ) емкостного типа в виде двух параллельно включенных несимметричных вибраторов (с.101) или симметричного вибратора, горизонтально закрепленного на металлической крыше ПО. Излучатели подключены к блоку настройки и согласования (БНС), вход которого подключен к выходу бортовой декаметровой радиостанции (PC).

Недостатком указанных аналогов является их низкая эффективность (коэффициент полезного действия - КПД), обусловленная высоким уровнем нескомпенсированного связанного реактивного поля емкостного типа, что для его компенсации требует применения индуктивных органов настройки и согласования, обладающих относительно низкой добротностью, приводящей к высоким тепловым потерям.

Известны также МГИ индуктивного типа (см. упомянутую книгу Гвоздева И.Н. и др. на с.103-105). Указанные аналоги выполнены в виде одной или нескольких включенных в параллель вертикальных рамок, установленных на металлической крыше ПО. Рамки подключены одним концом к блоку реактивных дискретных нагрузок (БРДН), другим - к БНС.

Недостатком указанных аналогов является также их низкая эффективность в силу значительных потерь в металле рамок. Кроме того, необходимость их установки в вертикальной плоскости существенно увеличивает габариты ПО, что ограничивает его беспрепятственный проезд в местах с ограничением по высоте.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная бортовая декаметровая антенна, описанная в книге: Виноградов Б.А. и др. Радиочастотная служба и антенные устройства. - Л.: - ВАС, 1982. - C.113-114. Антенна-прототип состоит из П-образной щели, вырезанной в боковой и верхней стенках металлического кузова автомобиля, промежуточного возбудителя, установленного в металлизированном подкрышевом пространстве ПО непосредственно у раскрыва горизонтальной части щели. Промежуточный возбудитель выполнен в виде многовитковой рамки с возможностью изменения числа витков путем их замыкания на корпус ПО. Вход промежуточного возбудителя подключен к БНС, который подключен к выходу бортовой радиостанции.

Недостатком ближайшего аналога является также относительно низкая эффективность (КПД) как из-за потерь в витках промежуточного возбудителя, так и из-за малой действующей длины щелевого излучателя.

Целью изобретения является разработка БДМА, обеспечивающей повышение ее КПД за счет более эффективного участия в излучении собственно металлического корпуса ПО.

Поставленная цель достигается тем, что в известной БДМА ПО, содержащей щель, вырезанную в его металлической поверхности, и установленный в металлизированном подкрышевом пространстве ПО промежуточный возбудитель, подключенный к БНС, вход которого подключен к выходу бортовой PC, промежуточный возбудитель (ПрВ) выполнен в виде изогнутого в вертикальной плоскости проводника с диаметром поперечного сечения d_Т. ПВ установлен вдоль продольной оси симметрии ПО и подключен одним концом к БНС, а другим к БРДН.

Средняя часть крышевой поверхности ПО выполнена диэлектрической. К кромкам металлических частей крышевой поверхности, примыкающим к ее диэлектрической части, подключены экранирующие элементы (ЭЭ), в виде ленточных проводников, установленных над изогнутым проводником. Между примыкающими друг к другу торцами ЭЭ в центре крышевой поверхности установлен диэлектрический зазор Δ=(0,9÷1,5) d_Т.

БДРН выполнен в виде совокупности из N коммутируемых реактивных элементов.

Расстояние t_Э между поверхностью ЭЭ и поверхностью изогнутого проводника выбрано в пределах (2÷4)×10^-4λ_mах, где λ_mах - максимальная длина волны рабочего диапазона волн.

Металлизированные части крышевой поверхности ПО выполнены с возможностью их удлинения вдоль оси ПО и установки концевой емкостной нагрузки.

Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков достигается эффективное возбуждение корпуса ПО, что повышает общее сопротивление излучения антенны и, следовательно, увеличивает ее КПД.

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показано:

на фиг.1 общий вид БДМА - вид сбоку;

на фиг.2 БДМА (вид сверху) с откидными металлическими панелями в свернутом состоянии;

на фиг.3 БДМА (вид сверху) с откидными металлическими панелями в развернутом состоянии;

на фиг.4 эквивалентная электрическая схема БДМА;

на фиг.5 эпюры распределения амплитуд тока вдоль изогнутого проводника;

на фиг.6 эпюры распределения амплитуд тока вдоль эквивалентного вибратора с откидными металлическими панелями;

на фиг.7 диаграммы направленности БДМА в режиме ионосферных и земных волн;

на фиг.8 данные сравнительных измерений уровня электрического поля.

Бортовая декаметровая антенна подвижного объекта, показанная на фиг.1, состоит из промежуточного возбудителя ПрВ 1, в виде изогнутого в вертикальной плоскости трубчатого проводника общей длиной P_п и с диаметром поперечного сечения d_T. ПрВ 1 установлен над металлической поверхностью на высоте h в пределах металлизированного подкрышевого пространства (МПКП) 2 вдоль его продольной оси симметрии (ось 0-0^⁄). Один конец ПрВ 1 подключен к БРДН 3, второй - к БНС 4. МПКП 2 имеет общую длину L_П и высоту Н_П, ширину В_П (см. также фиг.2).

Средняя часть крышевой поверхности диной L_Д выполнена диэлектрической, а ее две периферийные части длиной по L_М каждая выполнены металлическими. К примыкающим к центру МПКП 2 кромкам металлических частей его крышевой поверхности подключены ЭЭ 5 в виде ленточных проводников шириной в_Э, размещенных на высоте t_Э над ПрВ 1. В частности, ЭЭ 5 может быть выполнен в виде полуцилиндрического проводника, установленного соосно с проводником ПрВ 1 (см. фиг.1а).

Для увеличения действующей длины антенны предусмотрена возможность продольного удлинения крышевой поверхности МПКП 2 с помощью шарнирно закрепленных на кузове ПО откидных металлических панелей (ОМП) 6 длиной L_ОМП и шириной В_ОМП. Кроме того, ОМП 6 снабжены дополнительными складными металлическими панелями (СМП) 7 шириной В_СМП и длиной L_СМП. СМП 7 шарнирно соединены с боковыми кромками ОМП 6. Конструкция ОМП 6 и СМП 7 предусматривает возможность их жесткой фиксации в развернутом положении.

БНС 4 предназначен для настройки и согласования антенны во всем рабочем диапазоне частот. БНС 4 может быть выполнен в различных вариантах, в частности в виде Г-образной схемы, показанной на фиг.4. В данном варианте БНС 4 включает конденсатор переменной емкости С_Н (конденсатор настройки) и конденсатор переменной емкости С_С (конденсатор согласования). Порядок расчета С_Н и С_С известен и описан, например, в книге: Н.П.Гавеля, А.Д.Истрашкин и др. Антенны. Часть 1. Под ред. Ю.К.Муравьева. - Л.: - ВКАС, 1963. - С.538-542.

БДРН 3 предназначен для подключения к проводнику ПрВ 1 реактивной нагрузки, при которой с помощью дискретных емкостных элементов в соответствующем поддиапазоне частот обеспечивается формирование пучности тока вдоль ПрВ 1 в его центре, совпадающем с зазором Δ между кромками ЭЭ 5 (см. фиг.6). Этим достигается наибольшее возбуждение корпуса ПО, увеличивается сопротивление излучения антенны в целом и, следовательно, ее КПД. В качестве БРДН 3 может быть использовано известное решение: «Дискретная реактивная цепь» по патенту РФ №2355102, опубл. 10.05.2009 г.

Заявленная БДМА ПО работает следующим образом.

При подключении входа БНС 4 к выходу радиостанции высокочастотный (в.ч.) ток протекает по ПрВ 1. Распределение амплитуд тока по ПрВ 1 определяется выбранной рабочей частотой f_p и номинальным значением суммарной емкостной нагрузки, подключенной в БРДН 3 с помощью замыкания (размыкания) контактов соответствующих выключателей (см. фиг.4). Значение реактивной нагрузки на заданной рабочей частоте выбирают для формирования пучности тока в центре ПрВ 1 (см. фиг.5).

При этом в зазоре Δ между торцами ЭЭ 5 с некоторым коэффициентом трансформации К_Т возбуждается ЭДС, под действием которой в.ч. ток растекается по металлической поверхности кузова ПО.

Таким образом, эквивалентная схема заявленной антенны, показанная на фиг.4, представляет собой симметричный вибратор с плечами длиной L_А (при ОМП 6 и СМП 7 в сложенном состоянии) или с плечами с эквивалентной длиной L_ЭА (при ОМП 6 и СМП 7 в развернутом состоянии). Входное сопротивление Z_А симметричного вибратора, образованного металлической поверхностью кузова ПО, с коэффициентом трансформации К_т подключено к выходу радиостанции, к которому также подключено комплексное сопротивление, образованное проводником ПрВ 1 с подключенными к нему емкостными нагрузками БДРН 3 и БНС 4.

При переходе на другую рабочую частоту для сохранения пучности тока в зазоре между ЭЭ 5 необходимо изменить номинальное суммарное значение емкости, подключенной к выходу БДРН 3.

При работе в низкочастотной (н.ч.) части рабочего диапазона частот для увеличения действующей длины антенны дополнительно развернуть продольные ОМП 6 и шарнирно закрепленные на них поперечные СМП 7. СМП 7 в развернутом состоянии выполняют роль концевой емкостной нагрузки, обеспечивающей увеличение действующей длины плеч симметричного вибратора, L_ЭА на величину L_Э (см. фиг.4).

В сложенном состоянии ОМП 6 и СМП 7, так же как и в развернутом (горизонтальном) их положении, обеспечивается формирование диаграммы направленности (ДН) с максимумом, ориентированным в зенит (см. фиг.7), т.е. обеспечивается режим работы ионосферными волнами. При необходимости работы дополнительно земными (поверхностными) волнами ОМП 6 и СМП 7 жестко фиксируют вертикально, с противоположной ориентацией относительно плоскости крышевой поверхности ПО (см. фиг.6). Дополнительно к горизонтальной I_Г формируется вертикальная компонента в.ч. тока I_В, которая обеспечивает формирование ДН с максимумом, ориентированным вдоль земной поверхности (фиг.7б). Режим земных волн используют на коротких остановках ПО.

Возможность достижения сформулированного технического результата проверялась путем сравнительной оценки эффективности заявленной антенны и прототипа с использованием метода масштабного моделирования.

Исходные значения элементов заявленного устройства для работы в диапазоне 3-20 МГц (λ_mах=100 м) приняты следующими: L_n=2L_М+L_Д=4,5 м; L_М=L_Э; Н_П=0,8 м; h=0,75 м; L_ОМП=1,5 м; В_ОМП=В_П=2,5 м; L_М=L_Д=1,5 м; В_СМП=0,5 L_ОМП; L_ОМП=0,5 В_П; L_РВ=L_П+2 L_ОМП; L_А=0,5 L_П; Р_П=3,5 м; d_T=0,06 м; t_Э=0,03 м; b_Э=0,12 м; Δ=0,06 м.

Сравнительные измерения уровней электрического поля излучения заявленной антенны Е^ЗА, дБ и прототипа Е^ПР, дБ проводилась в дальней зоне излучения. На каждой частоте измерения обеспечивалась одинаковая мощность, подводимая к антенне. Результаты измерений, приведенные на фиг.8, показывают, что в диапазоне рабочих частот 3-20 МГц относительный выигрыш ΔЕ, дБ=Е^ЗА, дБ-Е^ПР, дБ по уровню электрического поля заявленной антенны составляет (15-5) дБ. Учитывая, что уровень поля прямо пропорционально зависит от КПД антенны, полученные данные подтверждают возможность достижения сформулированного технического результата - повышения КПД антенны.

1. Бортовая декаметровая антенна подвижного объекта, содержащая щель, вырезанную в его металлической поверхности, и установленный в металлизированном подкрышевом пространстве подвижного объекта промежуточный возбудитель, подключенный к блоку настройки и согласования, вход которого подключен к выходу бортовой радиостанции, отличающаяся тем, что промежуточный возбудитель выполнен в виде изогнутого в вертикальной плоскости проводника, установленного вдоль продольной оси симметрии подвижного объекта и подключенного одним концом к блоку настройки и согласования, а другим - к блоку дискретных реактивных нагрузок, средняя часть крышевой поверхности подвижного объекта выполнена диэлектрической, а к кромкам металлических частей крышевой поверхности, примыкающим к ее диэлектрической части, подключены экранирующие элементы, установленные над изогнутым проводником, причем между примыкающими друг к другу торцами экранирующих элементов в центре крышевой поверхности установлен диэлектрический зазор Δ.

2. Бортовая декаметровая антенна по п.1, отличающаяся тем, что экранирующие элементы выполнены в виде ленточных проводников.

3. Бортовая декаметровая антенна по п.1, отличающаяся тем, что блок дискретных реактивных нагрузок выполнен в виде совокупности из N коммутируемых дискретных реактивных элементов.

4. Бортовая декаметровая антенна по п.1, отличающаяся тем, что величина зазора Δ выбрана в интервале (0,9-1,5)d_т, где d_т - диаметр изогнутого проводника.

5. Бортовая декаметровая антенна по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между поверхностью экранирующего элемента и поверхностью изогнутого проводника выбрано в пределах (2÷4)·10^-4λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн.

6. Бортовая декаметровая антенна по п.1, отличающаяся тем, что металлизированные части крышевой поверхности подвижного объекта выполнены с возможностью их удлинения вдоль оси подвижного объекта и установки конечной емкостной нагрузки.