Широкополосный вертикальный излучатель

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

Задачи, которые решаются предлагаемой полезной моделью, являются:

- уменьшение за счет механизации времени и трудоемкости процесса развертывания/свертывания антенны;

- повышение надежности штыревого вертикального излучателя за счет повышения механической прочности конструктивных элементов излучателя при сохранении постоянства его электрических параметров в диапазоне рабочих частот.

Широкополосный вертикальный излучатель содержит основание антенны, на которое опирается мачта антенны, выполненная разъемной и состоящей из М колен, основание антенны является первой точкой питания антенны, а второй точкой питания является электрически объединенные концы К радиально размещенных на поверхности грунта противовесов, вторые концы которых расположены по кругу радиусом, равным высоте антенны, N рабочих полотен антенны, размещенных вдоль образующих линий двух сопряженных своими основаниями разновысотных прямых конусов, верхние концы N рабочих полотен антенны механически соединены с вершиной мачты антенны, причем точки перегиба N рабочих полотен антенны геометрически размещены на окружности, образованной соединением оснований двух разновысотных прямых концов, мачта антенны в вертикальном положении удерживается оттяжками. Мачта антенны выполнена металлической и составной, каждое колено мачты антенны выполнено в виде металлической трубы и наконечника с проточкой, обеспечивающего механическое соединение колен мачты между собой, труба колена механически разделена пополам и половина трубы колена мачты механически объединены диэлектрическим стержнем, подъемник мачты содержит стойку подъемника, состоящую из трех дополнительных колен, каждое из которых состоит из металлической трубы и наконечника, оттяжки антенны выполнены из стального тросика, секционированного орешковыми изоляторами, оттяжки соединяются с мачтой антенны с помощью разрезного фланца.

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к антенной технике и предназначена для. использования преимущественно в мобильных (высокомобильных) приемопередающих радиоузлах декаметрового (ДКМВ) диапазона длин волн.

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 f, в котором антенна сохраняет свои параметры постоянными; f=(0,005÷0,01)f_p, где f_p - рабочая частота;

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

- значительным диапазоном изменения активной и реактивной составляющих входного сопротивления (для антенны "штырь 10 м" R_a =(2,0-1000) Ом, Х_а=(минус 2000 ÷ плюс 200) Ом; для "Z-образных" антенн R_a=(10-90) Ом, Х _а=(минус 1200 ÷ минус 50) Ом; для антенны "Наклонный луч" R_a=(30-3000) Ом, Х_а=(плюс 1400 ÷ минус 2400) Ом), что приводит к необходимости применять дорогие и сложные антенно-согласующие устройства, в которых достаточно точное измерение характеристик и согласование антенны обеспечивается при значительном увеличении времени настройки [2].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является широкополосный вертикальный излучатель - ШВИ (патент 2289180, [3]), содержащий разъемную телескопическую мачту, состоящую из М колен, каждое из которых выполнено из диэлектрической трубы и снабжено фиксирующим замком, мачта механически соединена с опорным основанием антенны, к которому электрически подключена система радиальных противовесов из K>N проводников, расположенных равномерно по кругу радиусом, равным высоте антенны, верхние и нижние собирательные кольца, причем нижнее собирательное кольцо является первой точкой питания антенны, а второй точкой питания антенны является электрически объединенные концы противовесов, N рабочих полотен (излучателей), размещенных вдоль образующих линий двух сопряженных своими основаниями разновысотных прямых конусов, верхние и нижние концы N рабочих полотен механически соединены с вершиной и опорным основанием мачты, причем точки перегиба N излучателей (рабочих полотен) геометрически размещены на окружности оснований двух разновысотных прямых конусов, мачта в вертикальном положении удерживается оттяжками рабочие полотна (излучатели) выполнены из отрезков коаксиального кабеля с высокочастотными коаксиальными разъемами на концах, при этом у каждого разъема на верхнем конце рабочего полотна (излучателя) внутренний проводник и экран электрически соединены с верхним собирательным кольцом, на котором установлены приборные части коаксиальных разъемов, на нижнем конце рабочего полотна (излучателя) экран электрически соединен с основным нижним собирательным кольцом, на котором также установлены приборные части коаксиальных разъемов, внутренние проводники приборных частей коаксиальных разъемов соединены с дополнительным нижним собирательным кольцом, причем между дополнительным нижним собирательным кольцом и опорным основанием антенны включена катушка индуктивности, все оттяжки выполнены из высокопрочного малорастяжимого полимерного шнура, необходимая геометрическая форма антенны обеспечивается с помощью диэлектрических распорок, количество которых равно числу рабочих полотен (излучателей) N.

Существенными недостатками известного устройства являются:

- ограниченный диапазон рабочих частот f_р, в котором антенна сохраняет свои электрические параметры (R_BХ, КСВ) постоянными, обусловленный резонансными свойствами рабочих полотен (излучателей), выполненных из коаксиального кабеля определенной длины, и включением в схему питания антенны удлиняющей катушки индуктивности [4, 5];

- низкая надежность антенны в целом при комплексном воздействии ветровых нагрузок и предельных температур, обусловленная низкой механической прочностью мест соединения рабочих полотен из коаксиального кабеля с высокочастотными коаксиальными разъемами на концах рабочих полотен антенны;

- низкая надежность элементов пространственного формообразования антенны (диэлектрические распорки; полотна из коаксиального кабеля), обеспечивающих геометрическую форму антенны, при воздействии ветровых нагрузок и предельных температур.

Кроме того, развертывание полностью укомплектованной и снаряженной антенны (при условии что основание антенны и первая труба телескопической мачты установлены на грунте и закреплена оттяжками) путем ручного выдвижения, последующей фиксации колен мачты замками, начиная от самого верхнего колена мачты и следующих за ним телескопических колен мачты, требует значительных физических усилий специалистов, выполняющих эту операцию, при этом одновременно необходимо удерживать мачту антенны в вертикальном положении при ее развертывании. Попытка разработать конструкцию антенны, обеспечивающей подъем полностью укомплектованной и снаряженной антенны методом «падающей стрелы», привела к необходимости резкого повышения прочности пластиковых труб мачты, диэлектрических распорок, и, соответственно, к увеличению стоимости и веса антенны.

Задачами, которые решаются предлагаемой полезной моделью, являются:

- уменьшение за счет механизации времени и трудоемкости процессов развертывания/свертывания широкополосного вертикального излучателя;

- повышение надежности эксплуатации штыревого вертикального излучателя за счет повышения механической прочности конструктивных элементов излучателя при одновременном сохранении значений его электрических параметров в диапазоне рабочих частот.

Решение поставленных задач достигается тем, что в широкополосный вертикальный излучатель, содержащий основание антенны, на которое опирается мачта антенны, выполненная разъемной и состоящей из М колен, основание антенны является первой точкой питания антенны, а второй точкой питания антенны является электрически объединенные концы К радиально размещенных на поверхности грунта противовесов, вторые концы которых расположены по кругу радиусом, равным высоте антенны, N рабочих полотен антенны, размещенных вдоль образующих линий двух сопряженных своими основаниями разновысотных прямых конусов (К>N), верхние концы N рабочих полотен антенны механически соединены с вершиной мачты антенны, причем точки перегиба N рабочих полотен антенны геометрически размещены на окружности, образованной соединением оснований двух разновысотных прямых конусов, мачта антенны в вертикальном положении удерживается оттяжками, введены излучатель, состоящий из N рабочих полотен антенны, нижние концы которых снабжены контактными наконечниками, и верхнего стакана, механически и электрически соединяющего верхние концы рабочих полотен антенны и выполняющего роль верхнего собирательного кольца, верхний стакан излучателя механически соединен с вершиной мачты через изолирующий стержень, мачта антенны выполнена металлической и составной, каждое колено мачты антенны выполнено в виде металлической трубы и наконечника с проточкой, обеспечивающего механическое соединение колен мачты между собой, каждая труба колена мачты механически разделена пополам и половины трубы колена мачты механически объединены диэлектрическим стержнем, обеспечивающим электрическую изоляцию одного колена мачты от другого, дополнительное основание размещается на поверхности грунта и механически соединено с нижним основанием изолятора, верхнее основание которого механически соединено с металлическим основанием антенны, выполняющим роль нижнего собирательного кольца, механически и электрически объединяющего с помощью контактных наконечников N рабочих полотен антенны, подъемник мачты содержит стойку подъемника, состоящую из трех дополнительных колен, каждое из которых, также, как и колена мачты, состоят из металлической трубы и наконечника, первое (нижнее) дополнительное колено стойки подъемника своей нижней частью механически соединено с помощью шарнира с основанием антенны, а с помощью хомута к нему прикреплена тяговая лебедка с тросиком тяговой лебедки, проходящим через шкив, закрепленный в верхней части первого дополнительного колена стойки подъемника, ко второму концу тросика лебедки подъемника прикреплен стаканчик подъемника, а ниже шкива на первом дополнительном колене стойки подъемника закреплен фиксирующий механизм подъемника, второе дополнительное колено стойки подъемника, также как и первое дополнительное колено стойки подъемника, содержат прикрепленные к их металлическим трубам ступеньки, а к третьему дополнительному колену стойки подъемника механически прикреплены разнесенные по высоте хомут и втулка, через которые также, как и через фиксирующий механизм подъемника, проходит мачта антенны, оттяжки выполнены из стального тросика, секционированного орешковыми изоляторами, оттяжки соединяются с мачтой антенны с помощью разрезного фланца, входящего в проточку наконечника колена мачты, и крюка двойного с серьгой, точки перегиба N рабочих полотен антенны попарно механически объединены изолирующими стяжками, а также соединены с дополнительными оттяжками, которые так же, как и изолирующие стяжки, выполнены из непроводящего (полимерного) шнура, изолирующие стяжки и дополнительные оттяжки являются элементами пространственного формообразования антенны.

На фиг.1 представлено схематическое изображение антенны, на фиг.2 - показан излучатель антенны, на фиг.3 - показан вариант выполнения колена мачты, на фиг.4 - представлен вид антенны сверху для варианта исполнения: N=8; К=30, на фиг.5 показано основание антенны.

Широкополосный вертикальный излучатель содержит основание антенны 1, на которое опирается мачта антенны 2, выполненная разъемной и состоящей из М колен 3 (3₁3_M), К радиально размещенных на поверхности грунта противовесов 4 (4₁4_К), вторые концы которых расположены по кругу радиусом, равным высоте антенны, N рабочих полотен антенны 5 (5₁5_N), при этом К>N, мачта антенны в вертикальном положении удерживается оттяжками 6, выполненными из стального тросика, секционированного орешковыми изоляторами, мачта антенны 2 выполнена металлической и составной, каждое колено мачты антенны выполнено в виде металлической трубы 7 и наконечника 8 с проточкой, половины трубы 7 колена мачты механически объединены диэлектрическим стержнем 9, обеспечивающим электрическую изоляцию одного колена мачты от другого, излучатель 10, состоящий из N рабочих полотен антенны 5 (5₁5_N), нижние концы которых снабжены контактными наконечниками 11, и верхнего стакана 12, верхний стакан 12 механически соединен с вершиной мачты через основание 14 размещается на поверхности грунта и механически соединено с нижним основанием изолятора 15, верхнее основание которого механически соединено с металлическим основанием антенны 1, выполняющего роль нижнего собирательного кольца, подъемник мачты 16 содержит стойку подъемника, состоящую из трех дополнительных колен 17, 18 и 19, первое (нижнее) дополнительное колено стойки подъемника 17 своей нижней частью механически соединено с помощью шарнира с основанием антенны 1, а с помощью хомута к нему прикреплена тяговая лебедка 20 с тросиком тяговой лебедки 21, проходящим через шкив 22, закрепленный в верхней части первого дополнительного колена стойки подъемника 17, ко второму концу тросика 21 тяговой лебедки подъемника 20 прикреплен стаканчик подъемника 23, фиксирующий механизм подъемника 24, второе дополнительное колено стойки подъемника 18, также как и первое дополнительное колено стойки подъемника 17, содержат прикрепленные к их металлическим трубам ступеньки 25, а к третьему дополнительному колену стойки подъемника 19 механически прикреплены разнесенные по высоте хомут 26 и втулка 27, оттяжки 6 соединяются с мачтой антенны 2 с помощью разрезного фланца 28, входящего в проточку наконечника 8 колена мачты 3, и крюка двойного с серьгой 29, точки перегиба N рабочих полотен антенны 5 попарно механически объединены изолирующими стяжками 30, а также соединены с дополнительными оттяжками 31, которые так же как и оттяжки к крепятся к грунту кольями.

Секционирование мачты антенны 2 диэлектрическими стержнями 9, а также применение в излучателе 10 изолирующего стержня 13 обусловлено необходимостью устранения мощных широкополосных контактных помех, возникающих в элементах составных металлических мачт, находящихся в электромагнитном поле при воздействии ветровых нагрузок ([6], с.64-69).

Антенна устанавливается расчетом из пяти человек следующим образом.

После разметки места установки антенны и забивки кольев в грунт соединяют с помощью шарнира подъемник мачты 16 с основанием антенны 1, а также с дополнительным основанием 14 и изолятором 15. Подъемник мачты 16 фиксируют в вертикальном положении с помощью оттяжек 6, верхние колена мачты через фиксирующий механизм подъемника 24, хомут 26 и втулку 27 подаются вверх и удерживают верхние колена мачты в этом положении с помощью фиксирующего механизма подъемника 24. Один человек из состава расчета, поднявшись по ступенькам 25, устанавливает на верхнем колене мачты антенны 2 изолирующий стержень 13 и излучатель 10 в сборе, другой человек из состава расчета, находящийся внизу, с помощью тяговой лебедки 20, последовательно подставляя колена мачты 3 и подводя стаканчик подъемника 23 под низ подставляемых колен, поднимает мачту 2 с помощью тяговой лебедки 20 до тех пор, пока над втулкой 27 не появится место закрепления оттяжек 6 верхнего яруса, которые закрепляются на мачте антенны 2 с помощью разрезного фланца 28, входящего в проточку наконечника 8 колена мачты 3, при этом фланец 28 фиксируется в проточке двойным крюком с серьгой 29, к которому прикреплена оттяжка 6. Мачта 2 в процессе подъема удерживается от падения вниз фиксирующим механизмом подъемника 24. Три человека из состава расчета, разобрав оттяжки 6, расходятся к местам их крепления к кольям, забитым в грунт. Таким же образом закрепляются оттяжки 6 нижнего яруса крепления, стяжки 30 и дополнительные оттяжки 31. После сборки мачты 2 антенна в вертикальном положении фиксируется с помощью регулировочных лаглиней оттяжек 6. Нижние концы рабочих полотен 5 излучателя 10 с помощью контактных наконечников 11 электрически подключаются к металлическому основанию антенны 1, являющемуся первой точкой питания антенны и выполняющему роль нижнего собирательного кольца, к которому подключается центральная жила коаксиального кабеля питания. Путем регулировки натяжения дополнительных оттяжек 31 обеспечивается требуемая форма рабочих полотен 5. антенны. Противовесы 4 размещаются равномерно на поверхности грунта вокруг дополнительного основания антенны 14 и электрически соединяются с ним, образуя вторую точку питания антенны, к которой подключается оплетка коаксиального кабеля питания. Противовесы 4 и рабочие полотна 5 антенны могут быть выполнены из провода ПВ4 (4,0), характеризующегося устойчивостью к воздействию радиационных излучений (солнечной - в т.ч.) и высокими прочностными показателями при воздействии температурных и ветровых нагрузок.

Сравнительные испытания опытных образцов широкополосного вертикального излучателя - ШВИ [2] с известными антеннами типа ВГДШ ([1], с.15, 16) и «Штырь» ([1], с.79) показали, что:

- для диапазона рабочих частот (2-30) МГц с 57-ю контрольными точками настройки (шаг по частоте - 0,5 МГц) относительное количество частот, на которых настройка антенно-согласующего устройства из состава радиопередающего устройства происходила за один временной интервал, равный 50 мс, составляет для предлагаемой антенны ШВИ 58%, для ВГДШ - 2%, для антенны типа «Штырь» - 12%, т.е. антенна ШВИ обеспечивает меньшее в (526) раз по сравнению с известными антеннами типа ВГДШ и «Штырь» время настройки на рабочие частоты РПДУ в целом;

- по величине коэффициента бегущей волны антенна ШВИ уступает известным антеннам типа ВГДШ и «Штырь» только в двух точках диапазона рабочих частот на частотах 6 и 7 МГц, превосходя их значения в 1,5-2 раза в оставшихся 55-ти контрольных точках диапазона рабочих частот (2-30) МГц;

- в диапазоне рабочих частот (2-30) МГц вариации активной составляющей входного импеданса антенны находятся в пределах R_a =(14160) Ом, а вариации реактивной составляющей предлагаемой антенны составляют Х_а=(минус 71,7 Ом плюс 50 Ом), что значительно меньше вариаций этих параметров у известных антенн [1].

Антенна ШВИ прошла государственные испытания в составе приемопередающего радиоузла и освоена в серийном производстве.

Источники информации:

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. - 130 с.

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. Патент 2289180, Россия. МКИ H01Q 9/34 Широкополосный вертикальный излучатель / - Бюлл. 34. - Опубл. 10.12.2006 г.

4. Николаев В.А., Бакурова О.А. Самонесущий вертикальный вибратор для приемной антенны поверхностной волны //Антенны. - 2007. - Вып.6 (121). - С.37-41.

5. Ротхаммель К., Кришке А. Антенны /Том 1. Пер. с нем. - Мн.: Изд. ОМО «Наш город». - 2001. - 416 с.

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

Широкополосный вертикальный излучатель, содержащий основание антенны, на которое опирается мачта антенны, выполненная разъемной и состоящей из М колен, основание антенны является первой точкой питания антенны, а второй точкой питания антенны является электрически объединенные концы К радиально размещенных на поверхности грунта противовесов, вторые концы которых расположены по кругу радиусом, равным высоте антенны, N рабочих полотен антенны, размещенных вдоль образующих линий двух сопряженных своими основаниями разновысотных прямых конусов, верхние концы N рабочих полотен антенны механически соединены с вершиной мачты антенны, причем точки перегиба N рабочих полотен антенны геометрически размещены на окружности, образованной соединением оснований двух разновысотных прямых конусов, мачта антенны в вертикальном положении удерживается оттяжками, отличающийся тем, что мачта антенны выполнена металлической и составной, каждое колено мачты антенны выполнено в виде металлической трубы и наконечника с проточкой, обеспечивающего механическое соединение колен мачты между собой, труба колена механически разделена пополам и половины трубы колена мачты механически объединены диэлектрическим стержнем, обеспечивающим электрическую изоляцию одного колена мачты от другого, излучатель, состоящий из N рабочих полотен антенны, нижние концы которых снабжены контактными наконечниками, и верхнего стакана, механически и электрически соединяющего верхние концы рабочих полотен антенны и выполняющего роль верхнего собирательного кольца, верхний стакан механически соединен с вершиной мачты через изолирующий стержень, дополнительное основание размещается на поверхности грунта и механически соединено с нижним основанием изолятора, верхнее основание которого механически соединено с металлическим основанием антенны, выполняющего роль нижнего собирательного кольца, механически и электрически объединяющего с помощью контактных наконечников N рабочих полотен антенны, подъемник мачты содержит стойку подъемника, состоящую из трех дополнительных колен, каждое из которых, также как и колена мачты, состоят из металлической трубы и наконечника, первое (нижнее) дополнительное колено стойки подъемника своей нижней частью механически соединено с помощью шарнира с основанием антенны, а с помощью хомута к нему прикреплена тяговая лебедка с тросиком тяговой лебедки, проходящим через шкив, закрепленный в верхней части первого дополнительного колена стойки подъемника, ко второму концу тросика лебедки подъемника прикреплен стаканчик подъемника, а ниже шкива на первом дополнительном колене стойки подъемника закреплен фиксирующий механизм подъемника, второе дополнительное колено стойки подъемника, также как и первое дополнительное колено стойки подъемника содержат прикрепленные к их металлическим трубам ступеньки, а к третьему дополнительному колену стойки подъемника механически прикреплены разнесенные по высоте хомут и втулка, через которые также как и через фиксирующий механизм подъемника проходит мачта антенны, оттяжки выполнены из стального тросика, секционированного орешковыми изоляторами, оттяжки соединяются с мачтой антенны с помощью разрезного фланца, входящего в проточку наконечника колена мачты, и крюка, двойного с серьгой, точки перегиба N рабочих полотен антенны попарно механически объединены изолирующими стяжками, а также соединены с дополнительными оттяжками, которые также как и изолирующие стяжки выполнены из непроводящего (полимерного) шнура.