АНТЕННАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК H01Q11/00 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике.

Известно, что наиболее распространенные диапазонные коротковолновые антенны (горизонтальные синфазные, ромбические, антенны бегущей волны) при соответствующем выборе размеров обладают большим направленным действием при работе на оптимальной длине волны. При изменении длины волны направленные свойства антенн ухудшаются, что ограничивает диапазон их использования. Поэтому трудно обеспечить диаграмму направленности на заданный сектор пространства без ухудшения качества при изменении частоты в пределах заданного диапазона. Постоянством диаграмм направленности в весьма широком диапазоне частот обладают логопериодические антенны (Кочержевский Г.Н. Антеннофидерные устройства. М. Связь, 1972, с.417).

Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата при дальнейшем расширении диапазона частот, является сложность технической реализации логопериодических антенн. Кроме того, реализация различных параметров в отдельных участках диапазона оказывается невозможной, так как параметры логопериодической антенны по направлению и поляризации остаются почти неизменными.

Известна антенная система, содержащая линейные излучатели бегущей волны (авт. св. СССР N 898924, кл.⁵ H01Q 11/00).

Недостатком данной системы является большая площадь развертывания антенны при обеспечении сектора обзора по азимуту 360^o. Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является необходимость коммутации линейных излучателей бегущей волны.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является антенная система, содержащая равномерно расположенные по азимуту излучающие элементы, число которых m≫ 360/Φ_0,5min, где Φ_0,5min- минимальная ширина диаграммы направленности излучающего элемента, каждый излучающий элемент образован группой линейных антенн бегущей волны разной длины, число которых в группе не менее трех, расположенных параллельно друг другу, на расстоянии λ_min/4 между собой, в каждой группе начало последующей линейной антенны бегущей волны смещено относительно начала предыдущей на расстояние λ_min/4, где λ_min и λ_max -минимальная и максимальная длины рабочей волны; самые длинные в каждой группе линейные антенны бегущей волны расположены по касательной к общей окружности радиуса на которой находятся их начала, продолжения осей остальных линейных антенн бегущей волны расположены за пределами этой окружности, блок коммутации и фазировки, соединяющей начала диаметрально противоположных самых длинных линейных антенн бегущей волны (авт.св. СССР N 1288789, кл.⁵ H01Q 11/00, 1987).

Недостатком данной системы является сложность конструкции антенной системы, большая площадь развертывания антенны при обеспечении сектора обзора по азимуту 360^o. Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является необходимость коммутации большого количества линейных антенн бегущей волны в группах при существенном расширении частотного диапазона.

Задача, на решение которой направлено изобретение, упрощение конструкции антенной системы, обеспечение сектора обзора по азимуту 360^o без коммутации линейных антенн бегущей волны в группах расширения частотного диапазона при сохранении параметров антенны с минимальной площадью развертывания.

Техническим результатом, полученным при осуществлении изобретения, является формирование оптимальных диаграмм направленности в широком диапазоне частот при сохранении параметров антенны.

Согласно п.1 формулы изобретения в известную антенную систему, содержащую равномерно расположенные по азимуту излучающие элементы, число которых где Φ_0,5min минимальная ширина диаграммы направленности излучающего элемента, где каждый излучающий элемент образован группой линейных антенн бегущей волны разной длины, расположенных параллельно друг другу на расстоянии λ_min/4 между собой, в каждой группе начало последующей линейной антенны бегущей волны смещено относительно начала предыдущей на расстояние λ_max/4, где λ_min и λ_max минимальная и максимальная длины рабочей волны, самые длинные в каждой группе линейные антенны бегущей волны расположены по касательной к общей окружности радиуса на которой находятся их начала, продолжения осей остальных линейных антенн бегущей волны расположены за пределами этой окружности, согласно предмета изобретения введены m•n фильтров высоких частот, m•n фильтров низких частот и коммутатор каналов, где n≥2 число линейных антенн бегущей волны разной длины, при этом выход i-й линейной антенны бегущей волны в каждой j-й группе, где i 1,2,n, j 1,2,m, через i-й фильтр высоких частот соединен с входом i-го фильтра низких частот, выход i-го фильтра низких частот также соединен с входом i+1-го фильтра низких частот, выход n-го фильтра низких частот j-й группы соединен с j-м входом коммутатора каналов.

Согласно п.2 формулы изобретения в известную антенную систему, содержащую равномерно расположенные по азимуту излучающие элементы, число которых минимальная ширина диаграммы направленности излучающего элемента, где каждый излучающий элемент образован группой линейных антенн бегущей волны, начала которых расположены по касательной к общей окружности радиуса где l_max - максимальная длина рабочей волны, согласно предмета изобретения введены m•n фильтров высоких частот, m•n фильтров низких частот и коммутатор каналов, где n≥2 число линейных антенн бегущей волны одинаковой длины, расположенных последовательно друг за другом по касательной к окружности, при этом j-й вход коммутатора каналов соединен с выходом i-го фильтра низких частот, где j 1,2,m, i 1,2,n, вход которого через i-ю линейную антенну бегущей волны соединен с выходом i-го фильтра верхних частот и с выходом i+1-го фильтра низких частот, а число n линейных антенн бегущей волны в группе определяется для их различных относительных длин L/λ, образующихся для каждого поддиапазона частот сложением i-х линейных антенн бегущей волны посредством фильтров низких и высоких частот, из условия совпадения углов прихода радиоволн с минимальной шириной диаграммы направленности Φ_0,5, где L = ∑ li, l_i длина i-го участка линейной антенны бегущей волны; λ длина волны.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Согласно о п. 1 формулы изобретения стабилизация параметров антенны по частотному диапазону обеспечивается группой комбинации фильтров высоких и низких частот, образующих поддиапазоны, дополняющие друг друга до полного диапазона. Ряд антенн, выполненных в виде однопроводных антенн бегущей волны разной длины каждая на свой поддиапазон, подключает через фильтры высоких частот между фильтрами низких частот включенные друг за другом и образующие вместе с фильтрами высоких частот согласованные с антеннами полосы пропускания, причем начало этой цепи является объединенным входом антенной системы, а в конец подключена антенна низкочастотного поддиапазона. Антенны имеют по диапазону квазинезависимые характеристики направленности, их выходы подключаются к коммутатору каналов, который подключает то или иное выбранное направление приема. Таким образом, по п.1 формулы изобретения n горизонтальных параллельных проводников с бегущей волной тока на каждое направление подвешены на высоте h от земли, каждый проводник имеет длину l_i, соответствующую определенному участку диапазона. При этом отношение li/λi для каждого участка одинаково. Это позволяет получить одинаковое относительное изменение коэффициента направленного действия на каждом участке диапазона.

Согласно п. 2 формулы изобретения весь диапазон частот разбивается на участки, каждому участку соответствует своя длина провода с бегущей волной тока, при этом провод для длинноволнового участка образуется присоединением с помощью соответствующих фильтров высоких и низких частот следующего отрезка провода, дополняющего высокочастотный проводник до более низкочастотного и т. д. Таким образом, антенна представляет собой провод с бегущей волной тока, нагружаемый по длине сопротивлениями через фильтры в местах, определяющих относительную длину антенны в соответствующем участке диапазона. При этом каждое направление приема обеспечивается одним проводом, а не рядом проводов.

Таким образом, антенная система снимает ограничения по расширению диапазона частот и представляется возможность реализации антенной системы с любыми частотными полосами, при этом антенна сохраняет свои параметры и позволяет принимать со всех направлений во всем рабочем диапазоне частот без коммутации проводников.

На фиг.1 представлена структурная схема антенной системы варианта 1; на фиг. 2 план размещения антенной системы варианта 1 на площади; на фиг.3 - структурная схема антенной системы варианта 2 (п.1); на фиг.4 и 5 планы размещения антенной системы варианта 2 (п.1 и п.2) на площади; на фиг.6 и 7 - амплитудно-частотные характеристики антенны по варианту 1 и 2.

По варианту 1 антенная система (фиг.1) содержит m•n линейных антенн бегущей волны 1, m•n фильтров высоких частот 2, m•n фильтров низких частот 3 и коммутатор каналов 4, при этом n линейных антенн бегущей волны 1 во всех m группах имеют различную длину, соответствующую выбранному поддиапазону частот, самая длинная в каждой группе линейная антенна бегущей волны 1 расположена по касательной к окружности 5 (фиг.2), на которой находится ее начало. Радиусы, проведенные из центра окружности к началам самых длинных линейных антенн бегущей волны 1, равномерно распределены по азимуту. Начала последующих менее длинных линейных антенн бегущей волны 1 смещены на λ_max/4 относительно начал предыдущих. Расстояние между осями соседних линейных антенн бегущей волны 1 в группах равны λ_min/4, где λ_min и λ_max минимальная и максимальная длина рабочей волны. Начала и концы всех линейных антенн бегущей волны 1 снабжены противовесами 6, размеры которых λ_max/4•λ_min/4 определяют величину смещения начал соседних линейных антенн бегущей волны 1 и минимально допустимые расстояния между линейными антеннами бегущей волны 1. Для перекрытия всей азимутальной плоскости 0≅ Φ≅ 360^° число линейных антенн бегущей волны 1 выбирается равным где Φ_0,5p -минимальная ширина диаграммы направленности, при этом число n линейных антенн бегущей волны 1 в группе определяется для их различных относительных длин li/λ из условия совпадения углов прихода радиоволн с минимальной шириной диаграммы направленности v_0,5p, а минимальный радиус r_min окружности 5 - из условия максимально допустимой плотности размещения линейных антенн бегущей волны 1 по окружности 5. Величина откуда . Выход i-й линейной антенны бегущей волны 1 в каждой j-й группе, где i 1,2,n, j 1,2,m, через i-й фильтр высоких частот 2 соединен с входом i-го фильтра низких частот 3, выход i-го фильтра низких частот 3 также соединен с входом i+1-го фильтра низких частот 3, выход n-го фильтра низких частот 3 j-й группы соединен фидерами 7 с j-м входом коммутатора каналом 4, который входит в состав приемного устройства 8.

По п. 2 антенная система (фиг.3) содержит коммутатор каналов 9, m•n фильтров низких частот 10, m•n линейных антенн бегущей волны 11, m•n фильтров высоких частот 12, при этом j-й вход коммутатора каналов 9 соединен с выходом i-го фильтра низких частот, где j 1,2,m, i 1,2,m, вход которого через i-ю линейную антенну бегущей волны 11 соединен с выходом i-го фильтра верхних частот 12 и с выходом i+1-го фильтра низких частот 10, все линейные антенны бегущей волны 11 имеют одинаковую длину исходя из выбранной ширины поддиапазона и расположены последовательно друг за другом по касательной к окружности 5 (фиг.4), на которой находятся их начала. Радиусы, проведенные из центра окружности к началам линейных антенн бегущей волны 11, равномерно распределены по азимуту, начала и концы линейных антенн бегущей волны 11 снабжены противовесами 6, размеры которых l_max/4 определяют величину смещения начал соседних линейных антенн бегущей волны 11, представляющие собой провод, подвешенный горизонтально на небольшой высоте над землей, один конец которого через фильтр высоких частот 12 замкнут на сопротивление R_ni, равное волновому сопротивлению линии, образованной проводом и землей. Для перекрытия всей азимутальной плоскости 0≅ Φ≅ 360^° число групп линейных антенн бегущей волны 11 выбирается равным m≥ 360/Φ_0,5p , а число n линейных антенн бегущей волны 11 в группе определяется для их различных относительных длин L/λ, образующихся для каждого поддиапазона частот сложением i-х линейных антенн бегущей волны 11 посредством фильтров низких частот 10 и фильтров высоких частот 12, из условия совпадения углов прихода радиоволн с минимальной шириной диаграммы направленности v_0,5p, где L= ∑li, откуда l_i -длина i-го участка линейной антенны бегущей волны 11; λ длина волны; r_min минимальный радиус окружности 5 из условия максимально допустимой плотности размещения линейных антенн бегущей волны 11 на окружности 5, равный .

Антенная система по п.1 работает следующим образом.

Сигнал в зависимости от требуемого угла места максимального излучения подается на одну из линейных антенн бегущей волны 1, расположенной в требуемом азимутальном направлении, наличие в каждом направлении линейных антенн бегущей волны 1 разной длины позволяет получить требуемый угол места максимального излучения в широком диапазоне частот. Включение фильтров низких частот 3 друг за другом, а также включение между ними фильтров высоких частот 2 позволяет образовать ряд взаимно дополняющих полос, образующих антенную систему с единым частотным диапазоном и входом (фиг.6). При этом сигнал, принятый i-й линейной антенной бегущей волны 1, поступает на i-е звено из фильтра высоких частот 2 и фильтра низких частот 3, частота среза которых соответствует полосе частот работы i-й линейной антенны бегущей волны 1.

Антенная система по п.2 работает следующим образом.

Сигнал в зависимости от требуемого угла места максимального излучения подается на одну из групп последовательно соединяемых линейных антенн бегущей волны 11, расположенной в требуемом азимутальном направлении. Наличие в каждом направлении последовательно соединенных линейных антенн бегущей волны 11 одинаковой длины позволяет путем наращивания приемного проводника с помощью фильтров высоких и низких частот получить требуемый угол места максимального излучения в широком диапазоне частот. Весь диапазон частот разбивается на участки, каждому участку соответствует своя длина антенны, при этом провод для длинноволнового участка образуется присоединением с помощью соответствующего фильтра следующего отрезка провода, дополняющего высокочастотный проводник до более низкочастотного. При этом сигнал, принятый i-й линейной антенной бегущей волны 11 поступает на i-е звено из фильтра высоких частот 12 и фильтра низких частот 10, частота среза которых соответствует полосе частот работы i-й линейной антенны бегущей волны 11 (фиг.7).

Использование: антенные поля с минимальной площадью развертывания, обеспечивающие сектор обзора по азимуту 360^o в широком диапазоне частот. Сущность изобретения: в антенной системе (варианты) между излучающими элементами, равномерно размещенными по азимуту, включены фильтры низких частот и фильтры высоких частот, соединенные с коммутатором каналов. Комбинации фильтров высоких и низких частот обеспечивают стабилизацию параметров антенной системы. Причем отдельные излучающие элементы, состоящие из линейных антенн бегущей волны разной длины, имеют по диапазону квазинезависимые характеристики направленности. 2 с.п. ф-лы. 7 ил.

1. Антенная система, содержащая равномерно расположенные по азимуту излучающие элементы, число которых m≥360/Φ_05min, где Φ_05min минимальная ширина ДН излучающего элемента, каждый излучающий элемент образован группой линейных антенн бегущей волны разной длины, расположенных параллельно одна другой на расстоянии λ_min/4 между собой, в каждой группе начало последующей линейной антенны бегущей волны смещено относительно начала предыдущей на расстояние λ_max/4, где λ_min и λ_max- минимальная и максимальная длины рабочей волны, линейные антенны бегущей волны максимальной длины в каждой группе расположены по касательной к общей окружности радиуса на которой находятся их начала, продолжение осей остальных линейных антенн бегущей волны расположены за пределами этой окружности, отличающаяся тем, что введены m х n фильтров высокой частоты, m х n фильтров низких частот и коммутатор каналов, где n ≥ 2 число линейных антенн бегущей волны, при этом выход i-й линейной антенны бегущей волны в каждой j-й группе, где i 1, 2, n, j 1, 2, m, через i-й фильтр высоких частот соединен с входом i-го фильтра низких частот, выход i-го фильтра низких частот соединен с входом (i + 1)-го фильтра низких частот, выход n-го фильтра низких частот j-й группы соединен с j-м входом коммутатора каналов. 2. Антенная система, содержащая равномерно расположенные по азимуту излучающие элементы, число которых

где Φ_05min минимальная ширина ДН излучающего элемента,
каждый излучающий элемент образован группой линейных антенн бегущей волны, начала которых расположены по касательной к общей окружности радиуса

где l_max максимальная длина рабочей волны,
отличающаяся тем, что введены m х n фильтров высоких частот, m х n фильтров низких частот и коммутатор каналов, где n ≥ 2 число линейных антенн бегущей волны одинаковой длины, расположенных последовательно одна за другой по касательной к окружности, при этом j-й вход коммутатора каналов соединен с выходом i-го фильтра низких частот, где j 1, 2, m; i 1, 2, n, вход которого через i-ю линейную антенну бегущей волны соединен с выходом i-го фильтра верхних частот и с выходом (i + 1)-го фильтра низких частот.