ШИРОКОДИАПАЗОННАЯ КРУГОВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 1997 года по МПК H01Q21/00 H01Q13/08 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве широкодиапазонной всенаправленной антенны в горизонтальной плоскости, где известны биконические рупоры и дискоконусные антенны.

Указанные антенные системы (АС) являются эффективными устройствами, позволяющими получать приемлемые технические параметры [1] Но отсутствие разработанной теоретической базы построения таких антенн делает их дорогостоящими, получаемые технические параметры неоптимальными, а массо-габаритные размеры большими, часто неприемлемыми для широкого применения (использования).

В настоящее время потребность в АС с круговыми диаграммами направленности (ДН) очень велика, особенно для телевидения (телевизионные центры (башни, вышки)) и сотовых систем связи.

Известно техническое решение [2] где предложена широкополосная линейная антенная решетка (ЛАР), содержащая плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнены система возбуждения и излучающий раскрыв.

Недостатками указанного устройства являются:
ограниченный сектор обзора пространства, определяемый шириной ДН;
наличие потерь, связанных с несимметричностью системы возбуждения (суммирования).

Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение:
расширение сектора обзора пространства 360^o;
уменьшение потерь в системе возбуждения (суммирования).

В соответствии с изобретением поставленные задачи решены посредством широкодиапазонной круговой АР, которая содержит по крайне мере одну плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнены система возбуждения и связанный с ней излучающий раскрыв, образованный из рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, причем излучающий раскрыв АС образует замкнутую кривую второго порядка, например, окружность, а металлизированные слои АР, в которых выполнены излучающие раскрывы, расположены снаружи, охватывают диэлектрическую основу с системой возбуждения и соединены в местах расположения неоднородностей уровней. Если АР будет больше одной, то они образуют объемную систему из "n" связанных между собой попарно параллельно решеток (n 2, 3).

Предлагаемое изобретение отвечает критерию "новизна", так как из общедоступных источников информации не известно технического решения, характеризующегося совокупностью указанных выше признаков изобретения.

Предлагаемое изобретение отвечает критерию "изобретательский уровень", так как благодаря такой конструкции АР, которая реализует динамическое АФР на раскрыве, можно решить вопросы получения круговой диаграммы направленности, расширения полосы пропускания, согласования КАР со свободным пространством.

На фиг.1 изображена широкодиапазонная плоская круговая антенная решетка (КАР); фиг. 2 поясняет "механизм" переотражения собственных волн на неоднородностях, фиг.3 принцип суперпозиции мод для случая синфазного возбуждения неоднородности; на фиг.4 изображен внешний вид КАР.

На фиг.1 обозначены:
1 излучатель нулевого уровня (плоский рупор), 2 излучатель первого уровня (область связи М₁), 3 внешние стенки (образующие) излучателя первого уровня, 4 внутренние (смежные) стенки (образующие) излучателя нулевого уровня, 5 излучатель второго уровня (область связи М₂), 6 - свободное пространство, 7 щелевая линия, 8 токонесущая полоска полосковой линии.

На фиг. 4 обозначены:
1 верхний металлический экран полосковой линии с многоуровневыми излучателями и щелями, выполненными на нем, 2 нижний металлический экран полосковой линии с многоуровневыми излучателями и щелями, выполненными на нем, 3 токонесущая пластина полосковой линии, реализующая систему возбуждения (суммированная), 4 области соединения верхнего и нижнего экранов.

На фиг. 1 затушеванная часть соответствует наличию металлической поверхности, пунктиром обозначена токонесущая металлическая пластина полосковой линии, которая реализует систему возбуждения (суммирования) круговой антенной решетки (КАР). Радиальные линии, проведенные через центр окружности О и точки О₁, О₂ и О₃, являются осями симметрии соответственно для излучателей первого, второго и третьего уровней.

Кроме того, точки О₁, О₂ и О₃ характеризуют местоположение неоднородностей, для которых могут быть строго сформулированы граничные условия, поскольку они находятся внутри направляющих систем, образованных предложением внешних (наружных) стенок соответствующих излучателей или стыкуются со свободным пространством.

Необходимо отметить, что в общем случае образующие излучателей не обязательно должны быть прямыми линиями и являться продолжением прямой, они могут быть экспонентами, ломаными. Для более четкой фиксации граничных условий образующие соседних элементов при пересечении должны описываться "разрывной" функцией, т.е. иметь "острие", а не плавную кривую.

КАР, реализующая обзор пространства в плоскости решетки (азимутальной плоскости) 360^o, представляет из себя набор излучателей нулевого уровня (n₀ 2^p) с размерами раскрыва больше половины длины волны, расположенных попарно один возле другого и развернутых в плоскости решетки на некоторый угол относительно друг друга, т.е. их раскрывы располагаются вдоль кривой второго порядка, которая в частном случае может быть окружностью. Пары соседних излучателей нулевого уровня могут быть развернуты на различный угол, но должны быть всегда симметричны относительно радиальной линии, проведенной через точку пересечения соседних (смежных) стенок (точку O₁) и центр окружности (точку О). У каждой пары соседних излучателей нулевого уровня продолжены внешние (наружные) стенки (до взаимного их пересечения) на длину l₁, что позволяет создать n₁ 2^p-1 излучателей первого уровня, в которых реализованы условия для возбуждения распространяющихся мод как высших, так и низших. Затем у каждой соседней пары излучателей первого уровня продолжены внешние стенки (до их взаимного пересечения) на длину l₂, что позволяет получить n₂ 2^p-2 излучателей второго уровня. Описанный процесс с соседними парами излучателей разных уровней продолжается до тех пор, пока кривая, вдоль которой располагаются излучатели, не окажется замкнутой, а это значит, что на высшем "m-уровне" имеем один элемент (излучатель) n_m 2^p-m=1 (апертура которого представляет собой замкнутую кривую (окружность)), который обладает аксильной (круговой) симметрией, формирует круговую (всенаправленную) в плоскости решетки ДН, чем и обеспечивается обзор пространства в 360^o в плоскости азимута. P характеризует количество уровней излучателей (для фиг. 1 Р 3).

В таком случае КАР в своем составе имеет
количество элементов нулевого уровня n₀ 2^p
количество элементов первого уровня n₁ 2^p-1
количество элементов второго уровня n₂ 2^p-2
количество элементов высшего уровня "m" n_m 2^p-m 1.

Особенностью построения структуры КАР является то, что излучатель любого уровня (кроме нулевого) построен по одинаковой схеме и содержит в своем составе неоднородность типа "скачкообразный" переход, которая возбуждает направляющую систему (M₁, M₂), для которой могут быть строго сформулированы граничные условия. Механизм формирования структуры поля в аппертуре элемента любого уровня (кроме нулевого) совершенно одинаков, а различаются они только граничными условиями. Поэтому процесс получения многоуровневой апертуры с учетом круговой симметрии структуры может быть приостановлен уже на 2-м или 3-м шаге в зависимости от количества элементов нулевого уровня.

На фиг. 2 изображены переотражения собственных волн между неоднородностями в направляющей системе, которые для упрощения рисунка выполнены не в цилиндрической, а в прямоугольной системе координат. Для области связи M₁ плоскость 1 соответствует стыку часть пространства слева от стыка обозначена как область I, плоскость 2 соответствует стыку пространство справа от стыка обозначено как область II.

Для областей связи M₂, M₃ плоскость 1 соответствует стыкам O₃O₃, а плоскость 2 стыкам O₃O₃; свободное пространство соответственно (см. фиг. 1).

На плоскость 1 из области I падает волна E₀ единичной амплитуды структуры H₁. Часть энергии отражается обратно в область I в виде волны той же структуры с амплитудой [N_n]₁₁.

Оставшаяся часть проходит в область связи М в виде волны структуры H_p (сплошные линии) с амплитудами [N_m]_1p, где p1, 2, 3. K. Количество типов волн в области М не ограничивается.

У плоскости 2 волны структуры H_p, приобретают дополнительный фазовый набег и имеют амплитуды P_1p. Каждая из волн структуры H_p на плоскости 2 преобразуется в прошедшую волну области II с амплитудой P_1pR_p1 и отраженные волны учитываемых типов с амплитудами P_1p[M_m]_pg, где p,g 1, 2, 3. К. Отраженные волны вновь падают на плоскость 1, частично проходят в область I, остальная часть отражается, в свою очередь, в виде набора учитываемых волн.

Рассмотренный процесс последовательных отражений позволяет рассчитать амплитуды AIm

Если на плоскость 1 одновременно падает несколько волн H₁, то кроме рассмотренного механизма переотражений между волнами H_p одинаковой структуры будет наблюдаться суперпозиции с учетом условий возбуждения можно выделить на аппаратуре либо только четные, либо только нечетные волны, либо получить набор всех волн с нужными амплитудами, а за счет подбора протяженности области связи "l" получить требуемый фазовый набег. На фиг.3 поясняется механизм суперпозиции для случая, когда в область связи М учтены одна четная и одна нечетная моды (при этом механизм переотражения волн не рассматривается). При синфазном возбуждении излучателей нулевого уровня волной H₁ в силу граничных условий и условий возбуждения неоднородности скачкообразного перехода в областях связи M₁, M₂ распространяются низшие 1', 2'; и высшие 1'', 2''; моды. При этом моды 1', 2''и окажутся в фазе, а 1'', 2'' и в противофазе. В результате суперпозиции в каждой из областей связи M₃, M₂ останется только результирующая мода (1' + 2'); нечетная, причем мощность, переносимая этой модой, равна сумме мощностей, подаваемых на вход.

Поскольку все излучатели каждого уровня в КАР по способу построения являются идентичными, а схема возбуждения излучателей нулевого уровня является синфазной и равноамплитудной, то в установившееся динамическое амплитудно-фазовое распределение (АФР) на излучателе "m" уровня будет также равноамплитудным и синфазным. А это значит, что КАР формирует в свободном пространстве поле аналогичное полю, возбуждаемому нитью синфазного тока, которое распространяется в направлениях, перпендикулярных нити (радиально). Поле имеет две поперечные (относительно направления распространения) синфазные составляющие: электрическую E_z (E_Φ) и магнитную H_Φ (H_z) (т.е. КАР возбуждает в свободном пространстве ТЕМ-волну).

Структуру волны такого типа называют однородной цилиндрической волной (Г. Т. Марков и др. Электродинамика и распространение радиоволн. М. Сов. радио, 1979, с. 99-103).

Поскольку КАР возбуждает в свободном пространстве однородную цилиндрическую волну, то ее ДН является практически равномерной в секторе углов 360^o в плоскости решетки.

На базе КАР могут быть созданы очень эффективные (с точки зрения энергетики) объемные (цилиндрические) АР в виде слоеной структуры, объединенной дополнительным вертикальным сумматором, по известным способам конструирования двухмерных АР.

Проблема уменьшения потерь в КАР решена посредством реализации схемы возбуждения (суммирования) на симметричной полосковой линии, что показано на фиг. 4. Из фиг. 4 также следует, что с целью выравнивания потенциала верхний и нижний экраны в области излучателей всех уровней должны быть соединены между собой. Главным достоинством КАР, кроме всенаправленной ДН, является ее широкополосность, которая обеспечивается динамическим АФР на раскрыве и особенностью возбуждения структуры поля волны ТЕМ в свободном пространстве. КАР обеспечивает полосу пропускания более, чем в две декады.

Из изложенного становится очевидным, что задачи, поставленные при разработке данного технического решения, полностью решены предлагаемой конструкцией круговой антенной решетки, которая реализует динамическое АФР на раскрыве, что позволяет довольно просто решить вопросы получения круговой ДН, расширения полосы пропускания и согласования КАР со свободным пространством.

Предлагаемое изобретение это весьма совершенная полосковая антенна, выполняемая с применением современной технологии печатных плат, отличающаяся компактностью, малой массой и высокой технологичностью. Все это показывает, что данная антенна найдет широкое применение в электротехнике.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве широкодиапазонной всенаправленной антенны в горизонтальной плоскости, где известны биконические рупоры и дискоконусные антенны. Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, состоят в расширении сектора обзора пространства до 360^o и уменьшении потерь в системах суммирования. Поставленные задачи решены посредством широкодиапазонной круговой АР, которая содержит по крайне мере одну плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнены система возбуждения и связанный с ней излучающий раскрыв, образованный из рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, причем излучающий раскрыв АР образует замкнутую кривую второго порядка, например окружность, а металлизированные слои АР, в которых выполнен излучающий раскрыв, расположены снаружи, охватывают диэлектрическую основу с системой возбуждения и соединены в местах расположения неоднородностей уровней. Если АР будет больше одной, то они образуют объемную систему связанных между собой решеток. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Широкодиапазонная круговая антенная решетка, содержащая по крайней мере одну плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнена система возбуждения и связанный с ней излучающий раскрыв, отличающаяся тем, что излучающий раскрыв выполнен из рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, и образует замкнутую кривую второго порядка, причем металлизированные слои антенной решетки, в которых выполнен излучающий раскрыв, расположены снаружи и охватывают диэлектрическую основу с системой возбуждения и соединены между собой. 2. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что излучающий раскрыв образует окружность. 3. Решетка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в нее введены дополнительные антенные решетки, соединенные попарно параллельно посредством сумматора.