Симметричный вертикальный диапазонный излучатель

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

Задачами, которые решаются предлагаемой полезной моделью симметричного вертикального диапазонного излучателя (СВДИ), являются:

- расширение диапазона рабочих частот, в котором изменение электрических параметров антенны минимальны;

- уменьшение площади, занимаемой антенной;

- уменьшение значения минимального угла возвышения нижней границы диаграммы направленности антенны;

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

Симметричный вертикальный диапазонный излучатель (СВДИ) содержит основание антенны, механически соединенное с мачтой антенны, выполненной разъемной, телескопической и состоящей из М колен, каждое из которых выполнено из диэлектрической трубы и снабжено фиксирующим замком, верхнее собирательное кольцо и нижнее собирательное кольцо, N рабочих полотен антенны снабжены контактными наконечниками, механически и электрически объединяемых верхним собирательным кольцом и нижним собирательным кольцом, дополнительное объединяемых верхним собирательным кольцом и нижним собирательным кольцом, дополнительное нижнее собирательное кольцо, высокочастотный приборный коаксиальный соединитель последовательно соединен с высокочастотным кабельным коаксиальным соединителем и высокочастотным коаксиальным кабелем, вход которого является несимметричным входом-выходом СВДИ, мачта СВДИ в вертикальном положении удерживается оттяжками, выполненными из высокопрочного малорастяжимого полимерного шнура, мачта антенны состоит из верхнего и нижнего полукомплектов, каждый из которых выполнен телескопическим и состоящим из М/2 (М - четное число) колен, верхнее собирательное кольцо и нижнее собирательное кольцо механически соединены с нижним полукомплектом мачты, дополнительное верхнее собирательное кольцо и дополнительное нижнее собирательное кольцо механически соединены с верхним полукомплектом мачты, причем дополнительное нижнее собирательное кольцо размещено над верхним собирательным кольцом, N дополнительных рабочих полотен антенны, нижние и верхние концы которых снабжены контактными наконечниками, механически и электрически объединены дополнительным нижним собирательным кольцом и дополнительным верхним собирательным кольцом соответственно, верхние и нижние полукомплекты мачты СВДИ механически объединены металлическим стаканом с наружным выступом, вставленным в колена максимального диаметра верхнего и нижнего полукомплектов мачты, в дно металлического стакана установлен высокочастотный приборный коаксиальный соединитель, а внутри металлического стакана закреплен симметрирующий трансформатор, симметричные выходные клеммы которого электрически соединены с верхним собирательным кольцом и нижним дополнительным собирательным кольцом, являющихся точками питания плеч симметричного вертикального излучателя, образованного N рабочими полотнами и N дополнительными рабочими полотнами СВДИ, а несимметричный вход симметрирующего трансформатора соединен электрически с центральным контактом и корпусом высокочастотного приборного коаксиального соединителя соответственно, верхние концы N дополнительных оттяжек соединены механически с точками перегиба N дополнительных рабочих полотен, а нижние концы N дополнительных оттяжек соединены механически с кольями их крепления к грунту, N стяжек своими нижними концами соединены с точками перегиба N рабочих полотен, а верхними своими концами соединены механически с N дополнительными оттяжками.

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и предназначена для использования преимущественно в мобильных приемопередающих антенных комплексах и системах декаметрового (ДКМВ) диапазона длин волн, выполненных на основе фазированных антенных решеток (ФАР).

Известна симметричная вертикальная ДКМВ антенна стационарного исполнения, содержащая деревянную мачту, в которой в качестве верхнего плеча излучателя используются отрезки 3-х (4-х) металлических (обычно - стальных) оттяжек, удерживающих мачту в вертикальном положении, а нижнее плечо излучателя образовано дополнительными металлическими проводниками, количество которых равно количеству оттяжек ([1], с.210). При этом питание антенны осуществляется двухпроводной линией с экспоненциальным фидерным трансформатором. В целях снижения асимметрии в распределении тока в антенне воздушная экспоненциальная фидерная линия (трансформатор) подходит к точкам питания антенны под углом относительно вертикальной оси антенны, близким к 90°.

Однако, эта антенна с точки зрения электрических параметров имеет следующие недостатки:

- узкий диапазон частот f, в котором антенна сохраняет свои параметры постоянными, что обусловлено малым электрически действующим диаметром антенны, зависящим от количества парциальных рабочих полотен, образующих излучатель антенны;

- искажение диаграммы направленности в азимутальной плоскости в направлении, совпадающем с азимутом экспоненциальной фидерной линии питания антенны.

Другим существенным недостатком является то, что эта антенна не может быть использована в качестве мобильной.

Известна симметричная вертикальная ДКМВ антенна, выполненная в виде трехгранной призмы и содержащая три металлические вертикальные мачты, каждая из которых рассечена пополам, и половины каждой мачты механически объединены изоляторами, мачты механически и электрически объединены четырьмя ярусами жестких металлических стяжек, разнесенными по высоте, причем два средних яруса металлических стяжек, расположенные выше и ниже изоляторов, являются точками подключения дополнительных индуктивностей и симметрирующе-трансформирующего устройства [2]. Применение такой схемы питания и минимального количества (три) рабочих полотен, как и в предыдущем случае, уменьшает частотный диапазон антенны. Кроме этого, для выполнения требований по устойчивости к воздействию ветровых нагрузок (антенна должна быть устойчива без применения удерживающих оттяжек), линейные размеры жестких металлических стяжек, образующих ее опорную базу, должны составлять не менее (2l_B)/3, где 2l_B - высота металлических мачт антенны.

Однако, для случая диапазонного исполнения этой антенны ее высота имеет значение 2l_B=11,6 м, а длина металлических стяжек (поперечных сторон трехгранной призмы) равна а=(2,41)м, что не обеспечивает достаточной механической устойчивости антенны при ветровых нагрузках. Предлагаемые авторами меры по стабилизации антенны под воздействием ветровых нагрузок переводят ее в стационарный вариант.

Наиболее близким по большинству существенных признаков 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 основанием антенны, к которому электрически подключена система радиальных противовесов из К>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 являются 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, образованной основаниями двух разновысотных прямых конусов, мачта в вертикальном положении удерживается оттяжками, рабочие полотна (излучатели) выполнены из отрезков коаксиального кабеля с высокочастотными коаксиальными соединителями на концах, при этом у каждого соединителя на верхнем конце рабочего полотна (излучателя) внутренний проводник и экран электрически соединены с верхним собирательным кольцом, на котором установлены приборные части коаксиальных соединителей, на нижнем конце каждого рабочего полотна (излучателя) экран электрически соединен с основным нижним собирательным кольцом, на котором также установлены приборные части коаксиальных соединителей, внутренние проводники приборных частей коаксиальных соединителей соединены с дополнительным нижним собирательным кольцом, причем между дополнительным нижним собирательным кольцом и опорным основанием антенны включена удлиняющяя 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).

Существенными недостатками устройства являются:

- ограниченный диапазон рабочих частот f_p, в котором антенна обеспечивает значения вариации своих электрических параметров (R_BX, КСВ) в заданных пределах, что обусловлено резонансными свойствами рабочих полотен (излучателей), выполненных из коаксиального кабеля определенной длины, и включением в схему питания антенны удлиняющей катушки индуктивности [4];

- «отжатие» от поверхности грунта нижней части диаграммы направленности, величина которого зависит от качества выполнения противовеса антенны и параметров подстилающей поверхности;

- необходимость выполнения противовеса антенны, содержащего до 120-ти проводов, заглубленных в грунт на 1520 см, причем, для некоторых типоразмеров ФАР провода противовесов соседних антенных элементов (их длина равна высоте мачты антенны) перекрываются друг с другом, что приводит к увеличению взаимного влияния между антенными элементами ([1], с.212);

- 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 соединителями на концах рабочих полотен (излучателей) антенны;

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

Задачами, которые решаются предлагаемой полезной моделью, являются:

- расширение диапазона рабочих частот, в котором изменение электрических параметров антенны минимальны;

- уменьшение площади, занимаемой антенной;

- уменьшением значения минимального угла возвышения нижней границы диаграммы направленности антенны;

- повышение надежности эксплуатации антенны 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 симметричный вертикальный диапазонный излучатель (СВДИ), содержащий основание антенны 1, механически соединенное с мачтой антенны 2, выполненной разъемной, телескопической и состоящей из М колен 3, каждое из которых выполнено из диэлектрической трубы и снабжено фиксирующим замком 4, верхнее 5 и нижнее 6 собирательные кольца, N рабочих полотен антенны 7, размещенных вдоль образующих линий двух сопряженных своими основаниями разновысотных прямых конусов, верхние и нижние концы N рабочих полотен антенны 7 снабжены контактными наконечниками 8, механически и электрически объединяемых верхним собирательным кольцом 5 и нижним собирательным кольцом 6, причем точки перегиба N рабочих полотен 7 антенны геометрически равномерно размещены на окружности, образованной соединением оснований двух разновысотных прямых конусов, дополнительное нижнее собирательное кольцо 9, высокочастотный приборный коаксиальный соединитель 10 последовательно соединен с высокочастотным кабельным коаксиальным соединителем 11 и высокочастотным коаксиальным кабелем 12, вход которого является несимметричным входом-выходом СВДИ, мачта 2 СВДИ в вертикальном положении удерживается оттяжками 13, выполненными из высокопрочного малорастяжимого полимерного шнура, отличающийся тем, что мачта антенны 2 содержит верхний и нижний полукомплекты, каждый из которых выполнен телескопическим и состоящим из М/2 (М - четное число) колен 3, верхнее 5 и нижнее 6 собирательные кольца механически соединены с нижним полукомплектом мачты 2, дополнительные верхнее 14 и нижнее 9 собирательные кольца механически соединены с верхним полукомплектом мачты 2, причем дополнительное нижнее собирательное кольцо 9 размещено над верхним собирательным кольцом 5, N дополнительных рабочих полотен антенны 15, нижние и верхние концы которых снабжены контактными наконечниками 8, механически и электрически объединены дополнительными нижним собирательным кольцом 9 и верхним собирательным кольцом 14 соответственно, N дополнительных рабочих полотен 15 СВДИ размещены вдоль образующих линий двух других сопряженных своими основаниями разновысотных прямых конусов, причем точки перегиба N дополнительных рабочих полотен 15 СВДИ геометрически равномерно размещены на окружности, образованной соединением оснований двух других разновысотных прямых конусов, верхние и нижние полукомплекты мачты 2 СВДИ механически объединены металлическим стаканом 16 с наружным выступом, вставленным в колена максимального диаметра верхнего и нижнего полукомплектов мачты 2, в дно металлического стакана установлен высокочастотный приборный коаксиальный соединитель 10, а внутри металлического стакана 16 закреплен симметрирующий трансформатор 17 типа BULUN (BULanced to UNbalnced), симметричные выходные клеммы которого электрически соединены с верхним собирательным кольцом 5 и нижним дополнительным собирательным кольцом 9, являющимися точками питания плеч симметричного вертикального диапазонного излучателя, образованного N рабочими полотнами 7 и N дополнительными рабочими полотнами 15 СВДИ, а несимметричный вход симметрирующего трансформатора 17 соединен электрически с центральным контактом и корпусом высокочастотного приборного коаксиального соединителя 10 соответственно, верхние концы N дополнительных оттяжек 18 соединены механически с точками перегиба N дополнительных рабочих полотен 15, а нижние концы N дополнительных оттяжек 18 соединены механически с кольями их крепления к грунту, N стяжек 19 своими нижними концами соединены механически с точками перегиба N рабочих полотен 7, а верхними своими концами соединены механически с N дополнительными оттяжками 18, N дополнительных оттяжек 18, так же, как и оттяжки 13 и N стяжек 19 выполнены из высокопрочного малорастяжимого полимерного шнура, коаксиальный питающий кабель 12 проходит внутри нижнего полукомплекта телескопических колен 3 мачты 2.

На фиг.1 представлено схематическое изображение симметричного вертикального диапазонного излучателя (СВДИ), на фиг.2 - металлический стакан с наружным выступом в сборе с двумя нижними коленами телескопических полукомплектов мачты СВДИ, на фиг.3 (а, б) - диаграммы направленности в вертикальной плоскости СВДИ с высотами мачт 10 м и 14 м в диапазоне частот (330) МГц, на фиг.4, 5 - значения активной R_A и реактивной X_A составляющих входного импеданса СВДИ в диапазоне частот (39)МГц соответственно, а на фиг.6, 7 - значения активной R_A и реактивной Х_A составляющих входного импеданса СВДИ в диапазоне частот (930) МГц соответственно.

Симметричный вертикальный диапазонный излучатель (СВДИ) содержит основание антенны 1, механически соединенное с мачтой антенны 2, выполненной разъемной, телескопической и состоящей из М колен 3, каждое из которых выполнено из диэлектрической трубы и снабжено фиксирующим замком 4, верхнее собирательное кольцо 5 и нижнее собирательное кольцо 6, N рабочих полотен антенны 7, верхние и нижние концы N рабочих полотен антенны 7 снабжены контактными наконечниками 8, механически и электрически объединяемых верхним собирательным кольцом 5 и нижним собирательным кольцом 6, дополнительное нижнее собирательное кольцо 9, высокочастотный приборный коаксиальный соединитель 10 последовательно соединен с высокочастотным кабельным коаксиальным соединителем 11 и высокочастотным коаксиальным кабелем 12, вход которого является несимметричным входом-выходом СВДИ, мачта 2 СВДИ в вертикальном положении удерживается оттяжками 13, выполненными из высокопрочного малорастяжимого полимерного шнура, мачта антенны 2 состоит из верхнего и нижнего полукомплектов, каждый из которых выполнен телескопическим и состоящим из М/2 (М - четное число) колен 3, верхнее собирательное кольцо 5 и нижнее собирательное кольцо 6 механически соединены с нижним полукомплектом мачты 2, дополнительное верхнее собирательное кольцо 14 и дополнительное нижнее собирательное кольцо 9 механически соединены с верхним полукомплектом мачты 2, причем дополнительное нижнее собирательное кольцо 9 размещено над верхним собирательным кольцом 5, N дополнительных рабочих полотен антенны 15, нижние и верхние концы которых снабжены контактными наконечниками 8, механически и электрически объединены дополнительным нижним собирательным кольцом 9 и дополнительным верхним собирательным кольцом 14 соответственно, верхние и нижние полукомплекты мачты 2 СВДИ механически объединены металлическим стаканом с наружным выступом 16, вставленным в колена максимального диаметра верхнего и нижнего полукомплектов мачты 2, в дно металлического стакана установлен высокочастотный приборный коаксиальный соединитель 10, а внутри металлического стакана 16 закреплен симметрирующий трансформатор 17, симметричные выходные клеммы которого электрически соединены с верхним собирательным кольцом 5 и нижним дополнительным собирательным кольцом 9, являющихся точками питания плеч симметричного вертикального излучателя, образованного N рабочими полотнами 7 и N дополнительными рабочими полотнами 15 СВДИ, а несимметричный вход симметрирующего трансформатора 17 соединен электрически с центральным контактом и корпусом высокочастотного приборного коаксиального соединителя 10 соответственно, верхние концы N дополнительных оттяжек 18 соединены механически с точками перегиба N дополнительных рабочих полотен 15, а нижние концы N дополнительных оттяжек 18 соединены механически с кольями их крепления к грунту, N стяжек 19 своими нижними концами соединены механически с точками перегиба N рабочих полотен 7, а верхними своими концами соединены механически с N дополнительными оттяжками 18. С помощью регулирующих лаглиней, входящих в состав N дополнительных оттяжек 18, а также N стяжек 19 обеспечивается требуемая форма плеч симметричного вертикального излучателя, образованного N рабочими полотнами 7 и N дополнительными рабочими полотнами 15 СВДИ.

Антенна устанавливается расчетом, состоящим из трех человек. В начале производится разметка места установки антенны и забивка кольев. После сборки СВДИ на земле первый номер из состава расчета с помощью тяговой лебедки и приспособления типа «падающая стрела» поднимает антенну, удерживаемую за оттяжки 13 двумя другими номерами из состава расчета. При завершении подъема мачты номера расчета закрепляют мачту в вертикальном положении с помощью оттяжек 13 и с помощью дополнительных оттяжек 18 обеспечивают необходимую форму плеч симметричного вертикального излучателя, образованного N рабочими полотнами 7 и N дополнительными рабочими полотнами 15 СВДИ.

Источники информации:

1. Айзенберг Г.3., Белоусов С.П., Журбенко Э. М. и др. Коротковолновые антенны. М.: «Радио и связь». - 1985. - 536 с.

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

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

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

Симметричный вертикальный диапазонный излучатель (СВДИ), содержащий основание антенны, механически соединенное с мачтой антенны, выполненной разъемной, телескопической и состоящей из М колен, каждое из которых выполнено из диэлектрической трубы и снабжено фиксирующим замком, верхнее и нижнее собирательные кольца, N рабочих полотен антенны, размещенных вдоль образующих линий двух сопряженных своими основаниями разновысотных прямых конусов, верхние и нижние концы N рабочих полотен антенны снабжены контактными наконечниками, механически и электрически объединяемых верхним и нижним собирательными кольцами, причем точки перегиба N рабочих полотен антенны геометрически равномерно размещены на окружности, образованной соединением оснований двух разновысотных прямых конусов, дополнительное нижнее собирательное кольцо, высокочастотный приборный коаксиальный соединитель последовательно соединен с высокочастотным кабельным коаксиальным соединителем и высокочастотным коаксиальным кабелем, вход которого является несимметричным входом-выходом СВДИ, мачта СВДИ в вертикальном положении удерживается оттяжками, выполненными из высокопрочного малорастяжимого полимерного шнура, отличающийся тем, что мачта антенны выполнена из верхнего и нижнего полукомплектов, каждый из которых выполнен телескопическим и состоящим из М/2 (М - четное число) колен, верхнее и нижнее собирательные кольца механически соединены с нижним полукомплектом мачты, дополнительные верхнее и нижнее собирательные кольца механически соединены с верхним полукомплектом мачты, причем дополнительное нижнее собирательное кольцо размещено над верхним собирательным кольцом, N дополнительных рабочих полотен антенны, нижние и верхние концы которых снабжены контактными наконечниками, механически и электрически объединены дополнительными нижним и верхним собирательными кольцами соответственно, N дополнительных рабочих полотен СВДИ размещены вдоль образующих линий двух других сопряженных своими основаниями разновысотных прямых конусов, причем точки перегиба N дополнительных рабочих полотен СВДИ геометрически равномерно размещены на окружности, образованной соединением оснований двух других разновысотных прямых конусов, верхние и нижние полукомплекты мачты СВДИ механически объединены металлическим стаканом с наружным выступом, вставленным в колена максимального диаметра верхнего и нижнего полукомплектов мачты, в дно металлического стакана установлен высокочастотный приборный коаксиальный соединитель, а внутри металлического стакана закреплен симметрирующий трансформатор типа BULUN (BULanced to UNbalnced), симметричные выходные клеммы которого электрически соединены с верхним собирательным кольцом и нижним дополнительным собирательным кольцом, являющихся точками питания плеч симметричного вертикального излучателя, образованного N рабочими полотнами и N дополнительными рабочими полотнами СВДИ, а несимметричный вход симметрирующего трансформатора соединен электрически с центральным контактом и корпусом высокочастотного приборного коаксиального соединителя соответственно, верхние концы N дополнительных оттяжек соединены механически с точками перегиба N дополнительных рабочих полотен, а нижние концы N дополнительных оттяжек соединены механически с кольями их крепления к грунту, N стяжек своими нижними концами соединены механически с точками перегиба N рабочих полотен, а верхними своими концами соединены механически с N дополнительными оттяжками, N дополнительных оттяжек, также, как и оттяжки и N стяжек выполнены из высокопрочного малорастяжимого полимерного шнура, коаксиальный питающий кабель проходит внутри нижнего полукомплекта телескопических колен мачты.