Аэростатная антенна нч диапазона

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована для излучения электромагнитных колебаний в мобильных радиопередающих комплексах, работающих на сверхдлинных (СДВ), длинных (ДВ) и средних (СВ) волнах.

Технический результат - снижение веса кабеля-троса при сохранении мощности излучения; получение максимальной мощности излучения в заданном частотном диапазоне при фиксированном объеме аэростата в условиях изменения температуры окружающей среды и увеличения ветрового напора.

Антенна содержит кабель-трос (6), аэростат (5) со значением аэродинамического качества от 1,0 до 1,8, следящую систему (7), для управления величиной тока возбуждения антенны как функцией ветрового напора и температуры окружающей среды. Электрический противовес в виде нескольких проводников (8), соединенных одним концом между собой, расположенных на поверхности земли и радиально расходящихся от точки их соединения, является одним электродом вывода антенны, а нижний конец кабеля-троса (6) является другим электродом этого вывода, подключенным к радиопередающему устройству (9).

Кабель-трос (6) включает грузонесущий трос (1), выполненный из синтетических нитей, поверх которого размещен токопроводящий слой (2), покрытый диэлектрической защитной оболочкой (3) и оплеткой 4 из синтетических нитей. Кабель-трос (6) выполнен с изменяющейся по его длине погонной массой токопроводящего слоя (2) при условии постоянства погонной мощности тепловыделения на всей протяженности проводящего слоя кабеля-троса, при оптимальном отношении массы токопроводящего слоя к массе остальных элементов конструкции кабеля. 1 зав. п.ф., 6 ил.

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована для излучения электромагнитных колебаний в мобильных радиопередающих комплексах, работающих на сверхдлинных (СДВ), длинных (ДВ) и средних (СВ) волнах.

Известны аэростатные антенны, в которых в качестве излучателя используется кабель-трос, удерживаемый аэростатом на заданной высоте.

Примером тросовой антенны является «Всенаправленная высотная антенна» (патент РФ 2099827 H01Q 1/28, опубликовано 20.12.1997 г.), представляющая собой однопроводную линию передачи, один конец которой нагружен на согласованную нагрузку и закреплен на аэростате, а другой конец связан с приемопередатчиком.

Известна также «Аэростатная антенна зонтичного типа» (патент РФ 2340986 H01Q 1/28, опубликовано 10.12.2008 г.), которая включает в себя аэростат с оболочкой сферической формы, флюгирующее аэродинамическое объемное тело, на поверхности размещается «зонтик» из радиально расходящихся проводников, лебедку и три привязных троса, один из которых выполнен с токопроводящей оплеткой (кабель-трос), а также противовес в виде радиально расположенных на поверхности земли проводников.

Однако, приведенные выше устройства сложны и тяжелы, и потому они не могут быть использованы с малообъемными аэростатами. И, кроме того, эти конструкции не достаточно ветроустойчивы.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемомой является «Аэостатная антенна» по патенту РФ 2320058, H01Q 1/36, H01Q 1/12, (опубликовано 20.03.2008 г.), принятая за прототип.

Структурная схема антенны-прототипа, подключенной к мобильному радиопередающему устройству, представлена на фиг.1, где обозначено:

6 - кабель-трос;

5 - аэростат;

8 - лучи электрического противовеса антенны;

9 - радиопередающее устройство;

13 - изолятор;

14 - электрическая емкостная нагрузка зонтичного типа с проводником;

15 - изоляторы;

16 - растяжки;

17 - анкеры (якоря);

На фиг.2 представлена конструкция типичного антенного провода (кабеля-троса) 6, используемого в прототипе, где обозначено:

1 - грузонесущий трос;

2 - токопроводящий слой;

3 - диэлектрическая оболочка;

4 - оплетка из синтетических нитей.

Антенна-прототип (фиг.2) содержит кабель-трос 6, аэростат 5 для подъема кабеля-троса 6 на требуемую высоту, изолятор 13, через который кабель-трос 6 соединен с аэростатом 5, электрическую емкостную нагрузку зонтичного типа с проводником 14 (в количестве не менее 3 шт.), изоляторы 15 и растяжки 16. Растяжки 16 прикреплены к анкерам (якорям) 17, укрепленным в грунте. На поверхности земли расположены проводники (лучи) 8 (в количестве не менее 3 шт.) электрического противовеса антенны. В пространстве лучи 8 противовеса расположены радиально расходящимися от точки их общего электрического соединения. Эта точка противовеса и нижний конец кабеля-троса 6 являются выводами антенны, предназначенными для ее подключения к радиопередающему устройству 9.

Типичный кабель-трос (фиг.2), применяемый в аэростатных антеннах с малообъемными аэростатами, состоит из грузонесущего троса (каната) 1, изготовленного из синтетических нитей, поверх которого расположены токопроводящий слой 2 и диэлектрическая защитная оболочка 3, например «Антенный провод» (патент SU 1290448 А1, МПК: H01Q 1/00), опубликовано 15.02.1987 г.

Грузонесущий трос 1 обеспечивает устойчивость кабеля-троса 6 и аэростата 5 к ветровым нагрузкам, токопроводящая оплетка 2 обеспечивает излучение радиоволн. Диэлектрическая оболочка 3 с оплеткой из синтетических нитей 4 выполняет функцию защиты от механико-климатического воздействия.

Следует заметить, что конструкция кабеля-троса антенны-прототипа характеризуется нерациональным равномерным распределением погонной массы токопроводящего слоя по длине несущего троса, приводящим к неоправданно завышенному весу кабель-троса.

Таким образом, недостатком антенны-прототипа является сложность конструкции и довольно большой вес, что не позволяет использовать малообъемный аэростат. Кроме того, сложность конструкции ухудшает эксплуатационные характеристики, например, время развертывания (свертывания) антенны, что, в основном, и определяет мобильность радиопередающего комплекса. При этом стабилизация аэростата при воздействии ветра обеспечивается только с направлений размещения растяжек, а адаптация к изменению направления ветра отсутствует.

Решаемая техническая задача заключается в оптимизации конструкции кабеля-троса путем рационального распределения токопроводящего слоя и оптимизации отношения масс токопроводящего слоя и остальных элементов кабеля-троса, а также в достижении оптимального аэродинамического качества аэростата.

Достигаемый технический результат - снижение веса кабеля-троса при сохранении мощности излучения; получение максимальной мощности излучения аэростатной антенны в заданном частотном диапазоне при фиксированном объеме аэростата в условиях изменения температуры окружающей среды и увеличения ветрового напора.

Технический результат достигается за счет того, что в аэростатной антенне НЧ диапазона, включающей поддерживаемый в вертикальном положении малообъемным аэростатом кабель-трос, содержащий грузонесущий трос из синтетических нитей, покрытый токопроводящим слоем, диэлектрической защитной оболочкой и оплеткой из синтетических нитей; противовес в виде нескольких проводников, соединенных одним концом между собой, расположенных на поверхности земли и радиально расходящихся от точки их соединения, которая является одним электродом вывода антенны, а нижний конец кабеля-троса является другим электродом вывода антенны, подключаемым к радиопередающему устройству, согласно полезной модели, используется аэростат, значение аэродинамического качества которого находится в пределах от 1,0 до 1,8; дополнительно введена следящая система, с помощью которой формируется сигнал управления током возбуждения антенны как функцией ветрового напора и температуры окружающей среды; кабель-трос выполнен с изменяющейся по его длине погонной массой токопроводящего слоя при условии постоянства погонной мощности тепловыделения на всей протяженности проводящего слоя кабеля-троса, при этом оптимальное отношение массы токопроводящего слоя к массе остальных элементов конструкции кабеля-троса _опт определяется из соотношения:

_опт1,07₁/_max-0,07 для ₁/_max0,1,

где ₁ - длина волны, на которой при =1 допустимые по условиям отсутствия коронного разряда и по тепловому режиму мощности излучения равны;

_max - максимальная длина волны заданного диапазона.

Сущность полезной модели поясняется с помощью следующих чертежей:

На фиг.3 представлена конструкция антенного провода (кабеля-троса) 6, используемого в заявляемой антенне, где обозначено:

1 - грузонесущий трос;

2 - токопроводящий слой;

3 - диэлектрическая оболочка;

4 - оплетка из синтетических нитей.

На фиг.4 представлено оптимальное распределение сечения проводящего слоя антенного провода и его ступенчатая аппроксимация.

На фиг.5 представлена структурная схема заявляемой аэростатной антенны с подключенным к ней мобильным радиопередающим устройством, где обозначено:

5 - аэростат;

6 - кабель-трос;

7 - следящая система;

8 - лучи электрического противовеса антенны;

9 - радиопередающее устройство.

Заявляемая антенна (см. фиг.5) содержит кабель-трос 6, удерживаемый аэростатом 5 на требуемой высоте, электрический противовес в виде нескольких (как минимум трех) проводников (лучей) 8, соединенных одним концом между собой, расположенных на поверхности земли и радиально расходящихся от точки их соединения, которая является одним электродом вывода антенны, а нижний конец кабеля-троса 6 является другим электродом этого вывода, которым антенна с помощью лебедки (на чертеже не показано) подключается к радиопередающему устройству 9. Для подъема и спуска аэростата 5 используется средство газонаполнения (на чертеже не показано).

Вблизи передающей антенны размещена следящая система 7, предназначенная для регулирования величины тока возбуждения в антенне, которое своим выходом соединено с нижним концом кабеля-троса 6, а корпусом - с противовесом 8.

Тросовая антенна представляет собой несимметричный вибратор с длиной провода (токопроводящего слоя) L/4, где - длина рабочей волны.

С достаточной точностью распределение тока по длине несимметричного вибратора можно считать треугольным:

где I(x) - ток в точке, отстоящей на x метров от точки запитки;

I₀ - ток в точке запитки;

x - расстояние от точки запитки, может иметь значения от 0 до L.

Отличительными особенностями тросовой антенны является малый диаметр и сравнительно невысокая теплостойкость. Как правило, диаметр кабеля-троса составляет несколько миллиметров, а допустимая рабочая температура - 85°C.

Достижимая мощность излучения ограничивается тремя факторами:

- предельно допустимой мощностью, выделяемой в проводящем слое антенны, т.к. низкая температура плавления синтетического материала, используемого в конструкции кабеля-троса, ограничивает допустимую мощность проводящей части;

- возможностью возникновения коронного разряда;

- изменением формы антенны при ветровом напоре.

Рассмотрим эти ограничения.

Условие теплового баланса при излучении сигнала имеет следующий вид:

где P(x) - погонная мощность тепловыделения в точке x;

- удельное сопротивление проводящего слоя;

S(x) - площадь сечения проводящего слоя;

_M - плотность проводящего слоя;

_K - конвективный коэффициент теплоотдачи;

Т_ПР - температура проводящего слоя;

Т_ОС - температура окружающей среды (воздуха);

m_П(x) - погонная масса проводящего слоя в точке x.

Оптимальные распределения площади сечения проводящего слоя S(x) и погонной массы m_П(x) при треугольном распределении тока имеют вид:

где S₀ - площадь сечения проводящего слоя при x=0.

где m_П0 - погонная масса проводящего слоя при x=0.

Данное распределение обеспечивает одинаковое погонное тепловыделение и минимальную массу проводящего слоя антенны.

Массу производящего слоя можно вычислить по формуле:

Для случая равномерного распределения:

m_П=С=const,

где C - погонная масса в начале антенны.

Тогда масса проводящего слоя:

Для случая квадратичного распределения погонная масса и масса проводящего слоя:

Оценив отношение значений (6) и (8), получим:

.

Таким образом, оптимальное распределение проводящего слоя позволит уменьшить его массу в 3 раза.

Но плавное изменение сечения проводящего слоя (погонной массы) сложно реализовать технологически, поэтому в целях упрощения реализации целесообразно использовать кусочно-постоянную аппроксимацию оптимального распределения (см. фиг.4),

Ступенчатую функцию можно записать в виде:

где i=0, 1 n, x₀=0, x_n=L;

n - количество ступеней аппроксимации оптимального распределения погонной массы.

Масса токопроводящего слоя в этом случае определяется выражением:

где m₀ - масса проводящего слоя при оптимальном распределении.

Значение погонной массы в промежутках между точками x_i, и x_i+1 ;, соответствует погонной массе в точке x_i, а значения x_i выбираются, исходя из минимизации функции:

Конструкция кабеля-троса 6 для случая ступенчатого распределения проводящего слоя при трех ступенях аппроксимации показана на фиг.3.

На поверхности грузонесущего троса 1, выполненного из синтетических нитей, размещается токопроводящая оплетка 2 со ступенчатым изменением числа проводников, покрытая диэлектрической защитной оболочкой 3 и оплеткой 4 из синтетических нитей. Распределение токопроводящего слоя в оплетке 2 реализуется путем последовательного уменьшения числа проводников от ступени к ступени, при этом диаметр токопроводящего слоя сохраняется неизменным.

Грузонесущий трос 1 обеспечивает устойчивость кабеля-троса 6 и аэростата 5 к ветровым нагрузкам, токопроводящая оплетка 2 обеспечивает излучение радиоволн. Диэлектрическая оболочка 3 с оплеткой из синтетических нитей 4 выполняет функцию защиты от механико-климатического воздействия.

Результаты расчетов показывают, что ступенчатое распределение приводит к увеличению массы токопроводящего слоя 2 относительно случая квадратичного (оптимального) распределения. Так, для четырех ступеней масса увеличивается в 1,38 раза, но все же она меньше массы проводящего слоя при равномерном (традиционном) распределении более, чем в 2 раза.

Дальнейшее увеличение числа ступеней аппроксимации нецелесообразно.

Мощность излучения при выполнении условия теплового баланса определяется по формуле:

где R - сопротивление излучения.

Допустимое значение тока из условия теплового баланса (2):

т.е. P пропорциональна массе проводящего слоя.

Оптимальное распределение эквивалентно увеличению массы проводящего слоя при равномерном распределении в 3 раза, что позволяет увеличить мощность излучения также в 3 раза. При ступенчатой аппроксимации (для четырех ступеней), мощность излучения может быть увеличена в 2 раза относительно равномерного распределения.

Масса поднимаемого полезного груза (кабеля-троса 6) пропорциональна объему аэростата 5. При фиксированном объеме аэростата 5 она также является фиксированной величиной. Масса кабеля-троса 6 складывается из двух частей: массы токопроводящего слоя 2, определяющего мощность излучения, и массы остальных элементов конструкции, обеспечивающих его прочность (грузонесущего троса 1, диэлектрической защитной оболочки 3 и оплетки 4 из синтетических нитей).

Очевидно, что при фиксированной массе кабеля-троса 6, величина излучаемой мощности зависит от отношения массы проводящего слоя 2 к массе остальных элементов его конструкции ().

Максимально допустимая мощность излучения P_max с учетом ограничений по тепловому режиму и коронному разряду равна:

где P_Tmax и P_Kmax - максимально допустимые мощности по тепловому режиму и коронному разряду соответственно.

Значение , при котором достигается максимальная мощность излучения и, в то же время, обеспечивается необходимая прочность кабеля-троса, является оптимальным (_опт).

Величина _опт зависит от длины волны следующим образом:

_опт1,07₁/_max-0,07 для ₁/_max0,1

где _max - максимальная длина волны рабочего диапазона;

₁ - длина волны, на которой при =1 предельно допустимые по условиям теплового баланса и коронного разряда мощности излучения равны.

Наименьшие изменения излучаемой мощности в диапазоне реализуются при выборе _опт на нижней частоте диапазона.

В таблице 1 приведены значения мощностей излучения оптимизированного по варианта антенны и варианта с =1, обеспечивающего максимальную мощность на длинах волн, где _n - длина волны, на которой имеет место равенство максимально допустимых по тепловому балансу и коронному разряду мощностей излучения.

Таблица 1
	1	1,88	3,2	5,75	8,52
опт	1	0,5	0,25	0,1	0,05
	1	3,16	6,94	11,1	13,1

Как видно из таблицы, выигрыш от оптимизации весьма существенный, уже при он примерно равен 7.

Это достигается весьма небольшой потерей мощности на верхних частотах.

Воздействие ветра оказывает существенное влияние на величину допустимой мощности излучения, в первую очередь за счет уменьшения действующей высоты антенны из-за сноса аэростата и отклонения вибратора от вертикали. Величина отклонения зависит от аэродинамического качества аэростата K_A и ветрового напора. В результате мощность излучения уменьшается.

Аэродинамическое качество аэростата определяется соотношением:

где C_y и C_x - коэффициенты в формулах аэродинамических сил, действующих на аэростат:

лобовое сопротивление ;

подъемная сила ,

где - скоростной напор;

V - скорость ветра;

V_об - объем аэростата;

_в - плотность воздуха.

Таким образом, при фиксированном объеме аэростата, единственным параметром, подлежащим оптимизации, является его аэродинамическое качество К_А. (или, что же самое, угол атаки).

В соответствии с условием теплового баланса (2), мощность пропорциональна разности температур кабеля-троса 6 и окружающей среды. Кроме того, она пропорциональна конвективному коэффициенту теплоотдачи _к, который растет с увеличением ветрового напора. Таким образом, с увеличением разности температур (понижением температуры окружающей среды) и увеличением ветрового напора, величина тока возбуждения в антенне, а, значит, и мощность излучения могут быть увеличены.

Это реализуется с помощью специальной следящей системы 7, содержащей средства для измерения температуры окружающей среды и скорости ветра, и управляющей величиной тока возбуждения антенны (выходным сигналом передающего устройства 9) как некоторой функцией ветрового напора и температуры окружающей среды:

где I(q, Т_ОС) - ток возбуждения при ветровом напоре q и температуре среды Т_ОС;

I_O - ток возбуждения при q=0 и Т _ОС=maxТ_ОС;

Ф(q, Т_ОС ) - функция управления током; Ф(0, maxТ_ОС)=1.

Расчеты, проведенные с учетом ветрового воздействия на аэростатную антенну, дали следующие результаты:

- оптимальные значения аэродинамического качества К_АОПТ находятся около единицы для ограничения по коронному разряду и ~1,8 для ограничения по тепловому балансу;

- закон изменения тока возбуждения следующий:

при условии

где I(q, Т_ос) - ток возбуждения при ветровом напоре q и Т_ос;

I ₀ - ток возбуждения при q=0 и T_oc=maxТ_ос ;

Т_П - температура проводящего слоя (кабеля-троса);

Т_ОС - температура окружающей среды;

_к - конвективный коэффициент теплоотдачи.

Отметим, что аэродинамическое качество аэростата, близкое к требуемому, могут обеспечить серийно выпускаемые аэростаты фирмы «Авгур», например, аэростат «М-18».

Учитывая, что при q уменьшение мощности излучения составляет примерно два раза (из-за уменьшения действующей высоты антенны), целесообразно обеспечивать изменение тока возбуждения в диапазоне не более, чем от I₀ до ~1,4I₀.

Зависимость излучаемой мощности от ветрового напора приведена на фиг.6, где P_опт - мощность излучения для кабеля-троса 6 с оптимальными распределением проводящего слоя и отношением _опт, а P_оптопт - то же, но с учетом управления током возбуждения антенны.

Как видно из графика, уже при значении q=0,5 н/м² (что соответствует скорости ветра 1 м/сек) P_оптопт превосходит P_опт. Вероятность реализации условий, когда q0,5 н/м² достаточно велика, поэтому излучаемая мощность полностью оптимизированного устройства практически всегда превосходит мощность исходного варианта более, чем в два раза.

Эффективность работы устройства подтверждают следующие полученные результаты:

- оптимальное распределение проводящего слоя позволяет увеличить исходную мощность излучения в 3 раза;

- ступенчатая аппроксимация оптимального распределения проводящего слоя при четырех ступенях аппроксимации позволяет увеличить исходную мощность излучения в два раза;

- оптимизация отношения массы проводящего слоя к массе остальных элементов кабеля-троса позволяет существенно расширить рабочий диапазон в сторону нижних частот; выигрыш по излучаемой мощности на нижней границе достигает 4 и более раз;

- управление током возбуждения антенны по климатическим условиям при оптимальном К_А для любых конструкций кабеля-троса позволяет увеличить мощность излучения относительно исходной в два раза.

В то же время, использование полезной модели позволяет уменьшить массу антенны при сохранении мощности излучения, что дает возможность уменьшить газовый объем аэростата, существенно снизить стоимость аэростатной антенны и улучшить ее эксплуатационные характеристики.

1. Аэростатная антенна НЧ диапазона, включающая поддерживаемый в вертикальном положении малообъемным аэростатом кабель-трос, содержащий грузонесущий трос из синтетических нитей, покрытый токопроводящим слоем, диэлектрической защитной оболочкой и оплеткой из синтетических нитей; противовес в виде нескольких проводников, соединенных одним концом между собой, расположенных на поверхности земли и радиально расходящихся от точки их соединения, которая является одним электродом вывода антенны, а нижний конец кабеля-троса является другим электродом вывода антенны, подключаемым к радиопередающему устройству, отличающаяся тем, что используется аэростат, значение аэродинамического качества которого находится в пределах от 1,0 до 1,8; дополнительно введена следящая система, с помощью которой формируется сигнал управления током возбуждения антенны как функцией ветрового напора и температуры окружающей среды; кабель-трос выполнен с изменяющейся по его длине погонной массой токопроводящего слоя при условии постоянства погонной мощности тепловыделения на всей протяженности проводящего слоя кабеля-троса, при этом оптимальное отношение массы токопроводящего слоя к массе остальных элементов конструкции кабеля-троса _опт определяется из соотношения: _опт1,07₁/_max-0,07 для ₁/_max0,1,

где ₁ - длина волны, на которой при =1 допустимые по условиям отсутствия коронного разряда и по тепловому режиму мощности излучения равны; _max - максимальная длина волны заданного диапазона.

2. Аэростатная антенна по п.1, отличающаяся тем, что токопроводящий слой кабеля-троса выполнен со ступенчато изменяющейся погонной массой с точками изменения погонной массы x_i, причем значение данной погонной массы в промежутках между точками x _i и x_i+1 соответствует погонной массе в точке x_i, а значения x_i выбираются исходя из минимизации функции:

где L - длина токопроводящего слоя кабеля-троса; i=0, 1n; n - количество ступеней аппроксимации оптимального распределения погонной массы.