Результат интеллектуальной деятельности: АНТЕННА ШТЫРЕВАЯ ДИАПАЗОННАЯ МОБИЛЬНАЯ

Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к антенной технике и предназначено преимущественно для мобильных (передвижных) приемопередающих радиоузлов декаметрового диапазона частот.

Известны антенны для мобильных приемопередающих радиоузлов, обеспечивающие достаточно высокие технологические (быстрое развертывание-свертывание антенны) и прочностные (ветроустойчивость, количество циклов развертывания/свертывания до списания и т.д.) характеристики: "штырь 10 м" ([1], с. 79), "Z-образная " ([1], с. 86, 87), "наклонный луч" ([1], с. 85).

Однако эти антенны с точки зрения электрических параметров характеризуются:

- очень узким диапазоном частот Δf, в котором антенна сохраняет свои параметры постоянными: Δf=(0,005÷0,01)f_p, где f_p - рабочая частота;

- низким значением коэффициента усиления (КУ) в диапазоне рабочих частот (вдоль земли, в том числе), КУ=(0,03÷0,05) [1];

- значительным диапазоном изменения активной и реактивной составляющих входного сопротивления:

- для антенны "штырь 10 м" Rа=(2,0-1000) Ом, Ха=(минус 2000÷плюс 200) Ом;

- для "Z-образных" антенн- Rа=(10-90) Ом, Ха=(минус 1200÷минус 50) Ом;

- для антенны "Наклонный луч" Rа=(30-3000) Ом, Ха=(плюс 1400÷минус 2400) Ом,

что приводит к необходимости применять дорогие и сложные антенно-согласующие устройства, в которых точное измерение характеристик и согласование антенны обеспечивается при значительном увеличении времени настройки [2].

Другим недостатком этого класса антенн является зависимость характеристик антенн от электрофизических параметров почвы, на которой размещается антенна. Этот недостаток для вертикальных антенн (штыревых и “Z-образных” антенн в том числе) преодолевается с помощью большого количества противовесов(80-120 шт.) длиной равной, (0,3÷1)λ_макс, где λ_макс - максимальная длина волны диапазона рабочих частот, причем эти противовесы должны равномерно размещаться вокруг антенны с заглублением на (20-30)см от поверхности земли ([3], с. 212).

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является стационарная антенна штыревая, содержащая бетонированное основание, соединенное механически с цельнометаллической (стальной или дюралюминиевой) решетчатой мачтой высотой h через изолятор опорный, мачта удерживается в вертикальном положении системой оттяжек, выполненных из секционированного изоляторами стального троса, на высоте h/3 от поверхности земли на мачте закреплены N радиально расходящихся от мачты изолирующих штанг, к концам которых, являющихся точками перегиба, прикреплены N рабочих полотен антенны, выполненных из антенного канатика диаметром (4-6) мм и размещенных вдоль образующих двух сопряженных своими основаниями разновысотных прямых конусов, верхние и нижние концы N рабочих полотен механически соединены через изоляторы с вершиной и основанием цельнометаллической мачты антенны соответственно, при этом верхние и нижние концы N рабочих полотен антенны электрически объединены верхним и нижним собирательными кольцами соответственно, нижнее собирательное кольцо является первой точкой питания антенны, а второй точкой питания антенны являются противовесы, радиально расходящиеся от антенны ([4], с.306, рис.9-56).

Однако и эта антенна, наряду с тем, что она не мобильна, характеризуется наличием внутри рабочей зоны, образованной N рабочими полотнами антенны, массивной цельнометаллической мачты высотой h, переизлучающей возбуждаемое антенной электромагнитное поле и, таким образом, искажающей его, а также имеющей ограниченный диапазон рабочих частот, так как для рабочих частот с длиной волны λ_p ≥ 4h/3 коэффициент усиления этой антенны вдоль земли резко уменьшается [5]. Этот эффект объясняется тем, что при увеличении рабочей частоты в нижней части антенны появляется участок длиной l₁ ≥ h/3 с противоположным направлением тока относительно основного направления тока в верхнем участке антенны длиной l₂ ≤ 2h/3.

При дальнейшем увеличении рабочей частоты f_p и уравнивании участков l₁ и l₂ (l₁=l₂, т.е. λ_р=h) излучение вдоль земли отсутствует полностью ([5], с.31, 32, рис. 2.3 г, 2.3 д).

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности излучения вдоль земли мобильной приемопередающей антенны декаметрового диапазона частот.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известной антенне, содержащей основание антенны, механически соединенное с мачтой антенны высотой h через изолятор опорный, N рабочих полотен антенны, выполненных из антенного канатика и размещенных вдоль образующих линий двух сопряженных своими основаниями разновысотных прямых конусов, верхние и нижние концы N рабочих полотен антенны механически соединены с вершиной и основанием мачты антенны, при этом точки перегиба N рабочих полотен антенны геометрически размещены на окружности оснований двух разновысотных прямых конусов, верхние и нижние концы N рабочих полотен антенны электрически объединены верхним и нижним собирательными кольцами соответственно, при этом нижнее собирательное кольцо является первой точкой питания антенны, а второй точкой питания антенны являются электрически объединенные концы противовесов, равномерно размещенных вокруг антенны, мачта в вертикальном положении удерживается оттяжками из стального тросика, секционированного изоляторами, и заканчивающихся регулировочным лаглинем, введен подъемник мачты, каждое из N рабочих полотен антенны рассечено на высоте 2h/3 и в получившийся разрыв электрически включена комплексная согласующая нагрузка, состоящая из параллельно соединенных безиндуктивного резистора и катушки индуктивности, точки перегиба рабочих полотен антенны механически соединены с оттяжками, мачта антенны выполнена разъемной и состоящей из М колен, при этом колено мачты выполнено в виде металлической трубы и диэлектрического наконечника с проточкой, обеспечивающего механическое соединение колен мачты между собой и электрически изолирующего одно колено мачты от другого, подъемник мачты содержит стойку подъемника, состоящую из трех дополнительных колен, каждое из которых, также, как и колено мачты, состоит из металлической трубы и диэлектрического наконечника с проточкой, первое нижнее дополнительное колено стойки подъемника своей нижней частью механически соединено с изолятором опорным, в геометрическом центре первого дополнительного колена стойки к нему прикреплена тяговая лебедка с тросиком, проходящим через шкив, закрепленный в верхней части первого дополнительного колена стойки подъемника, ко второму концу тросика лебедки прикреплен стаканчик подъемника, а ниже шкива на первом дополнительном колене стойки подъемника закреплен фиксирующий механизм подъемника; второе дополнительное колено стойки подъемника содержит прикрепленные к его металлической трубе ступеньки, а третье дополнительное колено подъемника содержит разнесенные по высоте втулки, через которые, так же, как и через фиксирующий механизм подъемника, проходит мачта антенны, опирающаяся на нижний стакан с серьгами, дно которого является верхним основанием изолятора опорного, к серьгам нижнего стакана карабинами крепятся нижние концы N рабочих полотен антенны, верхние концы которых карабинами крепятся к фланцу верхнего стакана, закрепленного на вершине мачты антенны, оттяжки своими верхними карабинами механически соединяются с мачтой антенны и стойкой подъемника с помощью лацмена, содержащего фланец разрезной, входящий в проточку диэлектрических наконечников колен мачты и третьего дополнительного колена стойки подъемника, и крюк двойной с серьгой; противовесы размещены равномерно вокруг основания антенны и выполнены в виде дорожек шириной (50-60) см, сотканных из изолированных проводов длиной (0,3-0,5)λ_макс, где λ_макс максимальная длина волны принимаемого (излучаемого) радиосигнала; концы всех проводов противовесов объединены электрически и являются второй точкой питания антенны.

Сопоставительный анализ заявленного решения показывает, что предмет изобретения отличается тем, что введен подъемник мачты, каждое из N рабочих полотен антенны рассечено на высоте 2h/3 и в получившийся разрыв электрически включена комплексная согласующая нагрузка, состоящая из параллельно соединенных безиндуктивного резистора и катушки индуктивности, точки перегиба рабочих полотен механически соединены с оттяжками, мачта антенны выполнена разъемной и состоящей из М колен, при этом колено мачты выполнено в виде металлической трубы и диэлектрического наконечника с проточкой, обеспечивающего механическое соединение колен мачты между собой и электрически изолирующего одно колено мачты от другого, подъемник содержит стойку подъемника, состоящую из трех дополнительных колен, которые также, как и колено мачты, состоят из металлической трубы и диэлектрического наконечника с проточкой, первое нижнее дополнительное колено стойки подъемника своей нижней частью механически соединено с изолятором опорным, в геометрическом центре первого дополнительного колена стойки к нему прикреплена тяговая лебедка с тросиком, проходящим через шкив, закрепленный в верхней части первого дополнительного колена стойки подъемника, ко второму концу тросика лебедки прикреплен стаканчик подъемника, а ниже шкива на первом дополнительном колене стойки подъемника закреплен фиксирующий механизм подъемника; второе дополнительное колено стойки подъемника содержит прикрепленные к его металлической трубе ступеньки, а третье дополнительное колено подъемника содержит разнесенные по высоте втулки, через которые, так же, как и через фиксирующий механизм подъемника, проходит мачта антенны, опирающаяся на нижний стакан с серьгами, дно которого является верхним основанием изолятора опорного, к серьгам нижнего стакана карабинами крепятся нижние концы N рабочих полотен антенны, верхние концы которых карабинами крепятся к фланцу верхнего стакана, закрепленного на вершине мачты антенны, оттяжки своими верхними карабинами механически соединяются с мачтой антенны и стойкой подъемника с помощью лацмена, содержащего фланец разрезной, входящий в проточку диэлектрических наконечников колен мачты и третьего дополнительного колена стойки подъемника, и крюк двойной с серьгой; противовесы размещены равномерно вокруг основания антенны и выполнены в виде дорожек шириной (50-60) см, сотканных из изолированных проводов длиной (0,3-0,5)λ_макс, где λ_макс - максимальная длина волны принимаемого (излучаемого) радиосигнала; концы всех проводов противовесов объединены электрически и являются второй точкой питания антенны.

На фиг.1 представлена схема антенны штыревой диапазонной мобильной (АШДМ); на фиг.2 - подъемник мачты; на фиг.3 – нижний стакан с серьгами; на фиг.4 - колено мачты и лацмен; на фиг.5 - верхний стакан с фланцем.

АШДМ содержит основание 1 антенны, противовесы 2 антенны, изолятор 3 опорный, подъемник 4 мачты, мачту 5 антенны, выполненную разъемной и содержащей М колен 6 мачты, такелаж 7 антенны (оттяжки из стального тросика, секционированные изоляторами), N рабочих полотен 8 антенны, нагрузку 9 комплексную согласующую, стакан 10 верхний с фланцем, кольцо 11 собирательное верхнее, подъемник 4 мачты 5 содержит стойку 12, состоящую из трех дополнительных колен: первого (нижнего) дополнительного колена 13 с закрепленной на нем тяговой лебедкой 14, шкивом 15, размещенным на верхней части первого дополнительного колена 13, тросом 16, проходящим через шкив 15, вторым своим концом прикрепленными к стаканчику 17 подъемника 4, фиксирующий механизм 18 подъемника 4, шарнирно соединенным с первым дополнительным коленом 13 и размещенным ниже шкива 15; второго дополнительного колена 19 подъемника 4 со ступеньками; третьего дополнительного колена 20 подъемника 4 с направляющими втулками 21; нижний стакан 22 с серьгами, кольцо 23 собирательное нижнее, являющееся первой точкой питания антенны, лацмен 24, содержащий фланец 25 разрезной и крюк 26 двойной с серьгой; колено 6 мачты 5 состоит из трубы 27 и наконечника 28 диэлектрического с проточкой, оттяжки 7, также, как и N рабочих полотен 8 антенны, соединяются механически с серьгами и фланцем верхнего стакана 10 при помощи карабинов 29, верхние концы N рабочих полотен 8 антенны электрически объединены кольцом 11 собирательным верхним.

Необходимость секционирования мачты 5 и стойки 12 подъемника 4 наконечниками 28 диэлектрическими обусловлена возникновением под воздействием ветровых нагрузок в элементах составной мачты, выполненных из металлических колен, контактных широкополосных помех ([5], с.65-69).

Антенна устанавливается расчетом из 5-ти человек следующим образом. После установки подъемника 4 и его фиксации оттяжками 7 верхние колена 6 мачты 5 через фиксирующий механизм 18 и направляющие втулки 21 подаются вверх, один человек из состава расчета, поднявшись по ступенькам подъемника с рабочими полотнами 8, устанавливает на вершине мачты 5 стакан 10 верхний с фланцем, соединяет полотна 8 карабинами 29 с фланцем стакана 10 и подключает полотна 8 к кольцу 11 собирательному верхнему, другой человек из состава расчета, находящийся внизу, с помощью тяговой лебедки 14, подставляя колено 6 и подводя стаканчик 17 подъемника 4 под низ этого колена, поднимает мачту 5 до тех пор, пока над верхней направляющей втулкой 21 не появится место закрепления оттяжек 7 верхнего яруса, которые соединяются с фланцем 25 и серьгой крюка 26, входящих в состав лацмена 24 карабинами 29, причем фланец 25 вставляется в проточку наконечника 28 диэлектрического и замыкается крюком 26. Мачта 5 в процессе подъема удерживается фиксирующим механизмом 18 подъемника 4. Три человека из состава расчета, разобрав оттяжки 7, расходятся к местам их крепления к грунту. Таким же образом закрепляются оттяжки 7 нижнего яруса крепления, после чего мачта 5 собирается полностью и устанавливается в нижний стакан 22, за серьги которого закрепляются с помощью карабинов нижние концы полотен 8, электрически объединяющиеся с помощью кольца 23 собирательного нижнего. Вся конструкция собирается в вертикальном положении и фиксируется при помощи регулировочных лаглиней оттяжек 7. Противовесы, выполненные в виде дорожек шириной (50-60) см и намотанные на барабаны, разматываются и соединяются с основанием антенны, образуя вторую точку питания антенны.

Сравнительные испытания макета АШДМ и серийной антенны ВГДШ ([1], с. 15, 16) и штыревой антенны ([1], с.79), показали, что

- для диапазона рабочих частот (2-30) МГц с 57-ю контрольными точками (шаг по частоте -0,5 МГц) относительное количество частот, на которых настройка АНСУ происходила за 1 шаг (50 мс), составляет для АШДМ - 58%, для ВГДШ - 2%; для штыревой антенны - 12%;

- по КБВ макет АШДМ уступает серийным антеннам только в двух точках диапазона (6-7) МГц, превосходя их по КБВ в 1,5-2 раза в оставшихся 55-ти точках диапазона рабочих частот (2-30) МГц.

На фиг.6-10 приведены сравнительные характеристики (активная составляющая сопротивления антенны R_А, реактивная составляющая сопротивления антенны JХ_А, коэффициент бегущей волны-КБВ) трех типов антенн высотой h=20 м, полученные в результате моделирования для диапазонов рабочих частот (1,5-30) МГц и (1,5-5) МГц:

- “штырь 20 м”, диаметр штыря 50 мм;

- АШДМ с комплексной согласующей нагрузкой (КСН) 9;

- АШДМ без КСН 9;

и диаграммы направленности в вертикальной плоскости сравниваемых вариантов исполнения антенн АШДМ на частотах(5-30) МГц с шагом 5 МГц.

Литература

1. Захаров В.П., Левчук П.Ф., Муравьев Ю.К. и др. Характеристики антенн для радиосвязи./Под ред. Ю.К. Муравьева. - Л.: Изд. ВКАС, 1968, с.130.

2. Лузан Ю.С., Маренко В.Ф., Богданов А.В. и др. Согласование передающих антенн декаметрового диапазона. Сборник докладов технологического конгресса “Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения”. - Омск: Изд. ОмГТУ, 2001, с.280-283.

3. Айзенберг Г.З. и др. Коротковолновые антенны. - М.: Радио и Связь, 1985, с.536.

4. Мейнке X., Гундлах Ф. Радиотехнический справочник. Пер. с нем. т.1. - М.-Л.: ГЭИ, 1961, с.416.

5. Белоцерковский Г.Б. Антенны. - М.: Сов. Радио, 1969, с.328.

6. Виноградов Е.М., Винокуров В.И., Харченко И.П. Электромагнитная соместимость радиоэлектронных средств. - Л.: Судостроение, 1986, с.264.