Перископические антенные

Перископические антенные

системы, их конструкции,

системы, их конструкции,

применение

применение

Разработчик:

Разработчик:

Скорик Оксана Владимировна,

Скорик Оксана Владимировна,

преподаватель ГБПОУ КК НКРП

преподаватель ГБПОУ КК НКРП

►

Перископи́

ческая анте́

нна

Перископи́

ческая анте́

нна

является

является

разновидностью зеркальных направленных антенн.

разновидностью зеркальных направленных антенн.

►

Получила своё название из-за конструкции,

Получила своё название из-за конструкции,

подобной устройству

подобной устройству

перископа.

перископа.

►

Её особенность в конструкции состоящей из двух

Её особенность в конструкции состоящей из двух

разнесённых частей. А именно, излучающей,

разнесённых частей. А именно, излучающей,

расположенной у основания антенной мачты

расположенной у основания антенной мачты

(башни) и переизлучающей или зеркала,

(башни) и переизлучающей или зеркала,

расположенного наверху мачты.

расположенного наверху мачты.

►

Главное преимущество таких антенн заключается в

Главное преимущество таких антенн заключается в

возможности, без ухудшения технических

возможности, без ухудшения технических

характеристик, устанавливать излучающую

характеристик, устанавливать излучающую

антенну у поверхности земли. Кроме того, она

антенну у поверхности земли. Кроме того, она

характерна отсутствием длинных волноводных

характерна отсутствием длинных волноводных

питающих трактов. Это существенно облегчает её

питающих трактов. Это существенно облегчает её

строительство, обслуживание и повышает

строительство, обслуживание и повышает

надёжность всей системы

надёжность всей системы

►

Перископ

Перископ

применяется для подъема линии зрения

применяется для подъема линии зрения

наблюдателя. Он удобен для «видения» через

наблюдателя. Он удобен для «видения» через

головы толпы на гонках и соревнованиях, на

головы толпы на гонках и соревнованиях, на

спортивных играх! Этот прибор состоит из

спортивных играх! Этот прибор состоит из

двух плоских зеркал или, что предпочтительнее, из

двух плоских зеркал или, что предпочтительнее, из

двух прямоугольных равнобедренных призм,

двух прямоугольных равнобедренных призм,

собранных в какого-либо рода трубе или

собранных в какого-либо рода трубе или

держателе.

держателе.

►

Отражающие поверхности зеркал и призм

Отражающие поверхности зеркал и призм

расположены таким образом, что они параллельны

расположены таким образом, что они параллельны

друг другу и под углом 45° по отношению к

друг другу и под углом 45° по отношению к

вертикали. Свет на верхнее плоское зеркало

вертикали. Свет на верхнее плоское зеркало

или отражающую грань призмы падает под углом

или отражающую грань призмы падает под углом

45° и поэтому отражается также под углом 45°,

45° и поэтому отражается также под углом 45°,

отклоняясь, следовательно, на 90° в направлении

отклоняясь, следовательно, на 90° в направлении

по часовой стрелке. Затем свет отклоняется на 90°

по часовой стрелке. Затем свет отклоняется на 90°

в направлении против часовой стрелки на нижнем

в направлении против часовой стрелки на нижнем

плоском зеркале или призме).

плоском зеркале или призме).

Таким образом, изображение является

Таким образом, изображение является

прямым

прямым

мнимым

мнимым

и появляется на более низком уровне, чем тот,

и появляется на более низком уровне, чем тот,

на котором находится предмет. Первое отражение

на котором находится предмет. Первое отражение

создает зеркальный переворот изображения с одной

создает зеркальный переворот изображения с одной

стороны на другую, но второе отражение это

стороны на другую, но второе отражение это

компенсирует.

компенсирует.

►

Недостатками применения зеркал в

Недостатками применения зеркал в

перископах

перископах

являются их потускнение и

являются их потускнение и

отслаивание амальгамы.

отслаивание амальгамы.

►

Поэтому в точных приборах применяются

Поэтому в точных приборах применяются

призмы, например в

призмы, например в

перископе

перископе

подводной лодки

подводной лодки

(рис. б).

(рис. б).

►

Стеклянные призмы не подвержены

Стеклянные призмы не подвержены

влиянию погоды, и их не так легко

влиянию погоды, и их не так легко

повредить. Более того, призма полностью

повредить. Более того, призма полностью

внутренне отражает свет, в то время как

внутренне отражает свет, в то время как

при каждом отражении от зеркала

при каждом отражении от зеркала

происходит потеря 9% света.

происходит потеря 9% света.

Конструкция перископической антенной системы

Конструкция перископической антенной системы

►

Перископическая антенна, как правило,

Перископическая антенна, как правило,

включает в себя рупорный излучатель,

включает в себя рупорный излучатель,

подающий сигнал на излучающую антенну,

подающий сигнал на излучающую антенну,

расположенную у основания антенной мачты.

расположенную у основания антенной мачты.

►

Обычно излучающая антенна имеет

Обычно излучающая антенна имеет

параболическую или эллиптическую форму с

параболическую или эллиптическую форму с

тем, чтобы расходящийся сигнал рупорного

тем, чтобы расходящийся сигнал рупорного

излучателя, отражаясь, преобразовывался в

излучателя, отражаясь, преобразовывался в

луч направленный к переизлучающему зеркалу

луч направленный к переизлучающему зеркалу

расположенному в верхней части мачты.

расположенному в верхней части мачты.

►

При этом, переотражающее зеркало плоское,

При этом, переотражающее зеркало плоское,

чтобы падающий луч неё не расфокусировался.

чтобы падающий луч неё не расфокусировался.

Этому зеркалу придают требуемую, для

Этому зеркалу придают требуемую, для

приёма/передачи сигнала, направленность.

приёма/передачи сигнала, направленность.

Схема построения перископических систем

Схема построения перископических систем

►

Возможны различные

Возможны различные

схемы построения

схемы построения

перископических систем.

перископических систем.

►

В системе, показанной на

В системе, показанной на

рисунке, нижнее зеркало 4

рисунке, нижнее зеркало 4

выполнено в виде части

выполнено в виде части

поверхности вытянутого

поверхности вытянутого

вверх эллипсоида

вверх эллипсоида

вращения, в фокусах

вращения, в фокусах

которого располагают

которого располагают

фазовый центр рупорного

фазовый центр рупорного

облучателя 3 и центр

облучателя 3 и центр

верхнего плоского

верхнего плоского

зеркала 6.

зеркала 6.

Преимущество перископической антенной системы

Преимущество перископической антенной системы

►

При большой высоте установки антенн перископические

При большой высоте установки антенн перископические

системы обеспечивают меньшее затухание энергии на

системы обеспечивают меньшее затухание энергии на

участке аппаратура — верхнее зеркало, чем в случае

участке аппаратура — верхнее зеркало, чем в случае

применения коаксиальной линии или волновода.

применения коаксиальной линии или волновода.

►

Это делается для того, чтобы передача энергии от нижнего

Это делается для того, чтобы передача энергии от нижнего

зеркала к верхнему происходила с наибольшим КПД.

зеркала к верхнему происходила с наибольшим КПД.

Поверхность эллипсоида вращения обладает свойством

Поверхность эллипсоида вращения обладает свойством

собирать в точку одного фокуса лучи, исходящие из другого

собирать в точку одного фокуса лучи, исходящие из другого

фокуса. Поэтому лучи, исходящие из фазового центра

фокуса. Поэтому лучи, исходящие из фазового центра

рупора, пересекутся в точке второго фокуса.

рупора, пересекутся в точке второго фокуса.

►

В реальных условиях точного пересечения лучей не

В реальных условиях точного пересечения лучей не

происходит и в точке второго фокуса эллипсоида образуется

происходит и в точке второго фокуса эллипсоида образуется

так называемое фокальное пятно — волновой пучок с почти

так называемое фокальное пятно — волновой пучок с почти

плоским фронтом. Поэтому в качестве переизлучателя можно

плоским фронтом. Поэтому в качестве переизлучателя можно

применить плоское зеркало, совместив его центр с верхним

применить плоское зеркало, совместив его центр с верхним

фокусом эллипсоида.

фокусом эллипсоида.

Форма диаграммы направленности

Форма диаграммы направленности

►

Диаграмма направленности в Е-

Диаграмма направленности в Е-

плоскости в декартовых

плоскости в декартовых

(прямоугольных) координатах имеет

(прямоугольных) координатах имеет

вид

вид

►

Диаграмма направленности в Е-

Диаграмма направленности в Е-

плоскости в полярных координатах

плоскости в полярных координатах

имеет вид

имеет вид

Коэффициент усиления перископической

Коэффициент усиления перископической

антенны рассчитывается по формуле

антенны рассчитывается по формуле

,

)

/

(

4

2

обл

в

в

S

G











Ромбические антенны, их конструкция,

Ромбические антенны, их конструкция,

форма диаграммы направленности

форма диаграммы направленности

Ромбические антенны имеют высокое значение коэффициента

Ромбические антенны имеют высокое значение коэффициента

направленного действия, небольшие значения угла излучения

направленного действия, небольшие значения угла излучения

и наилучшим образом подходят для установления

и наилучшим образом подходят для установления

двухсторонних связей на дальние расстояния.

двухсторонних связей на дальние расстояния.

Ромбические антенны для работы на низких частотах до 1,6

Ромбические антенны для работы на низких частотах до 1,6

МГц имеют большие размеры.

МГц имеют большие размеры.

►

Антенна устанавливается на четырех мачтах, сама

Антенна устанавливается на четырех мачтах, сама

установка проста и не требует специальных навыков.

установка проста и не требует специальных навыков.

►

Антенна не требует постоянного технического

Антенна не требует постоянного технического

обслуживания.

обслуживания.

►

Ромбическая антенна для КВ диапазонов – экономичное

Ромбическая антенна для КВ диапазонов – экономичное

решение для станций, расположенных в постоянных

решение для станций, расположенных в постоянных

пунктах дислокации, где необходимы небольшие

пунктах дислокации, где необходимы небольшие

значения угла излучения и высокое значение

значения угла излучения и высокое значение

коэффициента направленного действия с приемлемым

коэффициента направленного действия с приемлемым

КПД.

КПД.

Форма диаграммы направленности ромбической

Форма диаграммы направленности ромбической

антенны с направлением максимального

антенны с направлением максимального

излучения по диагонали ромба

излучения по диагонали ромба

►

Такая антенна является диапазонной как по

Такая антенна является диапазонной как по

направленным свойствам, так и по входному

направленным свойствам, так и по входному

сопротивлению.

сопротивлению.

►

Она может работать на любой фиксированной частоте

Она может работать на любой фиксированной частоте

примерно в диапазоне 2,5:1, сохраняя при этом

примерно в диапазоне 2,5:1, сохраняя при этом

удовлетворительные направленные свойства и почти

удовлетворительные направленные свойства и почти

неизменный высокий КБВ в питающей линии.

неизменный высокий КБВ в питающей линии.

►

Так как расстояние между проводами, из которых

Так как расстояние между проводами, из которых

выполнена антенна, непостоянно, то в -

выполнена антенна, непостоянно, то в -

действительности волновое сопротивление

действительности волновое сопротивление

увеличивается от 600...700 Ом у острого угла ромба и

увеличивается от 600...700 Ом у острого угла ромба и

примерно до 1000 Ом у его тупого угла, что вызывает

примерно до 1000 Ом у его тупого угла, что вызывает

местные отражения и нарушает режим бегущей волны.

местные отражения и нарушает режим бегущей волны.

►

Чтобы сделать изменение волнового сопротивления

Чтобы сделать изменение волнового сопротивления

менее существенным, каждую сторону ромба

менее существенным, каждую сторону ромба

выполняют из двух расходящихся к тупому углу

выполняют из двух расходящихся к тупому углу

проводов. Расстояние между этими проводами

проводов. Расстояние между этими проводами

увеличивается от нуля у острого угла до 2...2,5 м у

увеличивается от нуля у острого угла до 2...2,5 м у

тупого угла, при этом волновое сопротивление

тупого угла, при этом волновое сопротивление

выравнивается по длине антенны.

выравнивается по длине антенны.

►

Ромбическая антенна, в общем, случае

Ромбическая антенна, в общем, случае

излучает поля двух поляризаций -

излучает поля двух поляризаций -

горизонтальной (нормальной) и параллельной.

горизонтальной (нормальной) и параллельной.

Однако в главных плоскостях, т.е. в

Однако в главных плоскостях, т.е. в

вертикальной плоскости, проходящей через про

вертикальной плоскости, проходящей через про

дольную ось ромба, и в горизонтальной

дольную ось ромба, и в горизонтальной

плоскости (Δ=0°) имеется только

плоскости (Δ=0°) имеется только

горизонтально поляризованная составляющая.

горизонтально поляризованная составляющая.

►

Оптимальные размеры ромба

Оптимальные размеры ромба

L

L

, Ф, Н выбирают

, Ф, Н выбирают

так, чтобы обеспечить наиболее интенсивное

так, чтобы обеспечить наиболее интенсивное

излучение под наиболее вероятными углами

излучение под наиболее вероятными углами

прихода лучей в место приема (Дmах),

прихода лучей в место приема (Дmах),

значение которых зависит от длины линии

значение которых зависит от длины линии

радиосвязи.

радиосвязи.

Коэффициент направленного действия и

Коэффициент направленного действия и

КУ ромбической антенны определяются

КУ ромбической антенны определяются

по формулам:

по формулам:

D = 30(kh

D = 30(kh

д

д

)2/W

)2/W

А

А

;

;

G = 30(kh

G = 30(kh

д

д

)2/R

)2/R





,

,

где hд - действующая высота антенны,

где hд - действующая высота антенны,

WA- волновое сопротивление антенны,

WA- волновое сопротивление антенны,

R

R





- сопротивление излучения антенны.

- сопротивление излучения антенны.

Применение ромбических антенн

Применение ромбических антенн

Ромбические антенны ионозонда

Ромбические антенны ионозонда

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения

радиоволн имени Н.В. Пушкова РАН

радиоволн имени Н.В. Пушкова РАН

►

Необходимость изучения параметров ионосферы

Необходимость изучения параметров ионосферы

определяется потребностями радиосвязи, с одной стороны, и

определяется потребностями радиосвязи, с одной стороны, и

развитием научного направления – радиофизики

развитием научного направления – радиофизики

ионосферы, с другой стороны.

ионосферы, с другой стороны.

►

Ионозондом называют коротковолновый радиолокатор,

Ионозондом называют коротковолновый радиолокатор,

работающим в диапазоне частот 1-20 МГц. По указанному

работающим в диапазоне частот 1-20 МГц. По указанному

диапазону ионозонд перестраивается с устанавливаем шагом

диапазону ионозонд перестраивается с устанавливаем шагом

по частоте 1-200 кГц.

по частоте 1-200 кГц.

►

Для вертикального зондирования излучение направляется в

Для вертикального зондирования излучение направляется в

зенит. Шкала высот отраженных сигналов составляет 90-

зенит. Шкала высот отраженных сигналов составляет 90-

1000 км.

1000 км.

►

Время снятия высотно-частотной характеристики ионосферы

Время снятия высотно-частотной характеристики ионосферы

– ионограммы составляет 0.4-7 минут в зависимости от

– ионограммы составляет 0.4-7 минут в зависимости от

установленной величины шага по частоте.

установленной величины шага по частоте.

►

Параллельно с созданием ионозондов разрабатывались и

Параллельно с созданием ионозондов разрабатывались и

антенные системы для них с вертикальной диаграммой

антенные системы для них с вертикальной диаграммой

направленности. В Санкт-Петербургском электротехническом

направленности. В Санкт-Петербургском электротехническом

институте связи была разработана антенная система, состоящая из

институте связи была разработана антенная система, состоящая из

трех ромбических антенн (РА), размещенных на мачтах

трех ромбических антенн (РА), размещенных на мачтах

высотой 100 м, 60 м и 40 м. Большие размеры, сложности в

высотой 100 м, 60 м и 40 м. Большие размеры, сложности в

эксплуатации и большая стоимость не позволяют применять такие

эксплуатации и большая стоимость не позволяют применять такие

антенны в широкой практике. Для отечественных

антенны в широкой практике. Для отечественных

ионозондов были разработаны и использовались, как типовые,

ионозондов были разработаны и использовались, как типовые,

ромбические и дельта - антенны с высотой центральной мачты 42

ромбические и дельта - антенны с высотой центральной мачты 42

метра и 27 метров.

метра и 27 метров.

►

Для стандартных ромбических антенны ионозонда в диапазоне

Для стандартных ромбических антенны ионозонда в диапазоне

частот 1 – 20 МГц рассчитаны диаграммы направленности,

частот 1 – 20 МГц рассчитаны диаграммы направленности,

параметры излучения в зенит и выработаны рекомендации по

параметры излучения в зенит и выработаны рекомендации по

изменению элементов в конструкции антенны для повышения

изменению элементов в конструкции антенны для повышения

эффективности излучения.

эффективности излучения.

Для компьютерных расчетов взяты размеры реально созданной

Для компьютерных расчетов взяты размеры реально созданной

системы передающих антенн ионозонда.

системы передающих антенн ионозонда.

Это два асимметричных по высоте ромба с длиной пар проводов

Это два асимметричных по высоте ромба с длиной пар проводов

31.3

31.3

+ 34.2м

+ 34.2м

для малого ромба и

для малого ромба и

59.5 + 61.3м

59.5 + 61.3м

для большого. Пары

для большого. Пары

проводов разнесены на 1.5 метра для большого ромба и на 0.8

проводов разнесены на 1.5 метра для большого ромба и на 0.8

метра для малого ромба. Высота металлических двух боковых опор 16

метра для малого ромба. Высота металлических двух боковых опор 16

метров и центральной мачты - 36 метров.

метров и центральной мачты - 36 метров.

Передатчик подключается в диапазоне 1-5 МГц – к большому ромбу, а

Передатчик подключается в диапазоне 1-5 МГц – к большому ромбу, а

в диапазоне 5-20 МГц – к малому. Волновое сопротивление питающего

в диапазоне 5-20 МГц – к малому. Волновое сопротивление питающего

фидера составляет 600 Ом. Нагрузочные резисторы для каждого из

фидера составляет 600 Ом. Нагрузочные резисторы для каждого из

ромбов по 600 Ом расположены в верхней точке центральной мачты.

ромбов по 600 Ом расположены в верхней точке центральной мачты.

Результаты

компьютерного

расчета

диаграмм

направленности

(ДН)

большого ромба на различных частотах в виде трехмерного изображения

на частотах от 1МГц до 6МГц

Трехмерные диаграммы направленности малого ромба на частотах от 4МГц

до 20МГц

Коэффициент усиления Ga в Dbi ромбических антенн по диапазону

частот

Пунктир – большой ромб РА, сплошная линия – малый ромб РА

Из графика можно сделать вывод, что большой

Из графика можно сделать вывод, что большой

ромб РА удовлетворительно работает в диапазоне

ромб РА удовлетворительно работает в диапазоне

частот 1.3 - 4.5 МГц, а малый ромб РА – в диапазоне

частот 1.3 - 4.5 МГц, а малый ромб РА – в диапазоне

4 - 9 МГц, когда

4 - 9 МГц, когда

Ga

Ga

больше 2

больше 2

Dbi

Dbi

.

.

►

Для уверенной работы антенны ионозонда по всему

Для уверенной работы антенны ионозонда по всему

диапазону частот, особенно в годы высокой

диапазону частот, особенно в годы высокой

солнечной активности, когда критические частоты

солнечной активности, когда критические частоты

отражений от ионосферы могут достигать 18 МГц,

отражений от ионосферы могут достигать 18 МГц,

необходимо установка дополнительной РА с частотной

необходимо установка дополнительной РА с частотной

характеристикой 9 - 20 МГц.

характеристикой 9 - 20 МГц.

►

Для этого возможно использовать РА, расположенную

Для этого возможно использовать РА, расположенную

на той же центральной мачте, что и основная

на той же центральной мачте, что и основная

антенная система, у которой плоскость будет

антенная система, у которой плоскость будет

ортогональна к плоскости большой и малой РА.

ортогональна к плоскости большой и малой РА.

Подобное расположение обеспечивает минимальную

Подобное расположение обеспечивает минимальную

электромагнитную связь между вновь вводимой

электромагнитную связь между вновь вводимой

антенны с основными ромбическими антеннами.

антенны с основными ромбическими антеннами.

►

Такой подход также обеспечивает минимальные

Такой подход также обеспечивает минимальные

финансовые затраты при установке дополнительной

финансовые затраты при установке дополнительной

РА, не вносит существенных изменений в конструкцию

РА, не вносит существенных изменений в конструкцию

уже существующей антенной системы.

уже существующей антенной системы.

Спасибо за внимание

Спасибо за внимание