ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 1998 года по МПК H01Q21/00 

Описание патента на изобретение RU2117369C1

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике и, в частности может быть использовано в качестве приемопередающей подземной или стелющейся антенной системы для работы ионосферными волнами в коротковолновом (КВ) или ультракоротковолновом (УКВ) диапазонах.

Известны подземные антенны (ПА) КБ и УКВ-диапазонов (Сосунов Б.В., Филиппов В-В. Основы расчета подземных антенн. - Л.: ВАС, 1990). Известные аналоги выполнены в виде группы параллельных синфазных изолированных вибраторов. Для повышения коэффициента усиления (КУ) используют несколько таких групп, размещаемых и фазируемых определенным образом.

Недостатком известных аналогов является небольшой рабочий диапазон частот по согласованию из-за резких изменений входного импеданса в диапазоне частот. Кроме того, приемлемая величина КУ достигается только за счет наращивания количества вибраторов, что приводит к большим площадям антенны, и удорожает ее строительство.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная фазированная антенная решетка (ФАР) (Айзенберг Г.З. и др. Коротковолновые антенный - М: Радио и связь, 1985, с. 271-274, рис. 13.11). Антенна-прототип состоит из группы плоских антенных элементов (ПАЭ), выполненных из металлических проводников. Каждый ПАЭ представляет собой излучатель в виде симметричного вибратора из двух треугольных плеч, внешние концы которых соединены короткозамыкающими (к.з.) проводниками. Все ПАЭ объединены общим фидерным трактом и образуют синфазную или фазируемую (в случае включения в фидерный тракт фазирующих устройств) решетку. ПАЭ расположены компланарно в пределах прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР, и подвешены вертикально на мачтах. Такая ФАР, благодаря применению элементов, состоящих из излучателей с треугольными плечами, имеет больший диапазон частот по согласованию.

Однако у антенны-прототипа есть недостатки - небольшой коэффициент перекрытия рабочего диапазона (отношение максимальной рабочей частоты к минимальной), который не превышает 2,14. Использование такой антенны с современными широкодиапазонными передатчиками потребует использования нескольких типоразмеров антенны. Кроме того, известная антенна обладает большими габаритами, не обеспечивает независимую работу с вертикальной, горизонтальной или кругополяризованной волнами.

Цель изобретения - разработка широкодиапазонной ФАР, предназначенной для использования в качестве стелющейся или подземной антенны КБ и УКВ-диапазонов при одновременном уменьшении занимаемой ею площади и возможности работы с горизонтальной, вертикальной или вращающейся поляризациями волн.

Поставленная цель достигается тем, что в известной ФАР, содержащей ПАЭ, установленные компланарно в пределах прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР, и подключенных к фидерному тракту первого поддиапазона, ПАЭ расположены горизонтально в пределах полупроводящей среды или на ее поверхности. ПАЭ объединены в прямоугольные модули (ПМ), которые подключены к ортогональным каналам фидерных трактов второго и третьего поддиапазонов. ПМ установлены по периметру прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР, на его диагоналях и осях симметрии, проходящих через середины его сторон. Внешние стороны ПМ (т.е. стороны, обращенные от центра ФАР) соединены друг с другом дополнительными проводниками и совмещены со сторонами прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР. Обращенные к центру ФАР стороны ПМ, установленных на осях симметрии, подключены отрезками проводников к соответствующему ортогональному каналу фидерного тракта первого поддиапазона. Причем пары ПМ, подключенные к ортогональным каналам фидерного тракта первого поддиапазона, запитаны независимо.

Все ПМ идентичны и состоят из ПАЗ. Каждый ПАЭ выполнен в виде двух ортогональных пар треугольных излучателей (ТИ). Внешние концы ТИ, принадлежащих примыкающим друг к другу ПАЭ, электрически соединены. Внешние концы ТИ, принадлежащих периферийным ПАЭ, соединены по периметру ПМ дополнительными к. з. -проводниками. Внешние концы ТИ, примыкающие с двух сторон к диагоналям ПМ, электрически развязаны. Внешние концы остальных ТИ соединены к.з.-проводниками. Ортогональные каналы фидерного тракта второго поддиапазона подключены к вершинам соответствующих пар ТИ ПАЭ, расположенного в центре каждого ПМ. Вершины ТИ остальных ПАЭ подключены попарно к ортогональным каналам фидерного тракта третьего поддиапазона. ТИ, подключенные к ортогональным каналам фидерных трактов, запитаны независимо.

Отрезки проводников, с помощью которых ПМ, установленные на осях симметрии ФАР, подключены к фидерному тракту первого поддиапазона и соединены со сторонами в углах ПМ.

Формы ПМ и прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР, подобны, а коэффициент подобия выбран в пределах 3,5 - 4,0.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает, благодаря формированию в пределах общей апертуры ФАР излучателей трех типоразмеров, существенное расширение диапазона рабочих частот без увеличения общей площади ФАР.

Анализ известных решений по источникам технической и патентной литературы показал, что в них отсутствуют технические решения, содержащие совокупность существенных признаков заявленного устройства, что указывает на его соответствие условию патентоспособности "новизна".

Также в известных источниках информации не обнаружены отличительные признаки заявленного устройства, обеспечивающие достижение технического результата, который достигнут заявленным устройством, что указывает на его соответствие условию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показана ФАР, общий вид;
на фиг. 2 - вариант схемы прямоугольного модуля (ПМ);
на фиг. 3 - 6 - рисунки, поясняющие структурные элементы общей схемы ФАР;
на фиг. 7 - вариант схемы фидерного тракта;
на фиг. 8 и 9 - рисунки, поясняющие принцип работы ФАР;
на фиг. 10 - результаты экспериментальных измерений качества согласования (КБВ).

Фазированная антенная решетка, показанная на фиг. 1, состоит из плоских антенных элементов (ПАЭ) 1, объединенных в прямоугольные модули (ПМ) 2, со сторонами LM. ПМ 2 установлены в пределах прямоугольника со сторонами Lp, ограничивающего апертуру ФАР. Формы ПМ 2 и прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР, подобны. Коэффициент подобия, т.е. отношение Lp/Lm, выбран в пределах 3,5 - 4,0, ПМ 2 установлены таким образом, что их внешние (по отношению к центру апертуры ФАР) стороны совмещены со сторонами прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР.

Причем по два ПМ установлены симметрично на осях симметрии, проходящих через середины сторон прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР (оси А-А' и Б-Б'), и по два - на диагоналях С-С' и К-К'). ПМ 2, установленные на диагоналях С-С' и К-К', совмещены с ними своими диагоналями (с-с' и к-к'). Внешние стороны ПМ 2 соединены друг с другом дополнительными проводниками 3. ПМ 2, установленные на осях А-А' и Б-Б' с помощью отрезков проводников 4 подключены к ортогональным каналам (точки а11 и б11) фидерного тракта первого поддиапазона. Проводники 4 подключены к обращенным к центру апертуры ФАР сторонам ПМ 2 в углах прямоугольника, ограничивающего соответствующий ПМ 2 (точки р-р). Сектор между проводниками 4 может быть дополнен еще проводниками или заменен сплошной металлической поверхностью. Все ПМ идентичны. Принципиально структура ПМ 2 может быть различной. Один из возможных вариантов построения схемы ПМ 2 показан на фиг.2. ПМ 2, ограниченный прямоугольником (на фиг. 2 квадрат) со сторонами Lm состоит из совокупности ПАЭ 1 (на фиг. 2 ПМ включает девять ПАЭ). Каждый ПАЗ 1 (также и фиг. 3) выполнен из двух ортогональных пар треугольных излучателей (ТИ) 5 длиной lt и углом α при вершине (вершины обозначены индексами а33, б33). Примыкающие друг к друг внешние концы ТИ 5 электрически соединены (на фиг. 2 линия соединения обозначена в-в). Внешние концы ТИ, принадлежащие периферийным ПАЭ 1, соединены по периметру ПМ 2 дополнительными к.з.-проводниками 6. Внешние концы ТИ 5, примыкающие с двух сторон к диагоналям (с-с' и к-к') ПМ 2, электрически развязаны, а внешние концы остальных ТИ 5 соединены к.з.-проводниками 7. Ортогональные каналы фидерного тракта второго поддиапазона подключены к вершинам ТИ 5 ПАЗ 1, расположенного в центре ПМ 2, соответственно в точках а22 и б22. Ортогональные каналы фидерного тракта третьего поддиапазона подключены соответственно в точках а33 и б33 к ТИ 5 остальных ПАЭ 1.

Тракт питания ТИ 5 по каждому из ортогональных каналов ФАР может быть реализован по схеме, показанной на фиг. 7. Выход передатчика в первом поддиапазоне с помощью коаксиального фидера 8 подключен непосредственно к проводникам 4 в центре апертуры ФАР. На фиг. 1 показано подключение фидера 8 к горизонтальным излучателям (точки б11). Фидер подключен экранной оболочкой к вершине одного ТИ, а центральным проводником - к вершине другого ТИ, составляющих симметричный вибратор соответствующей поляризации (также фиг. 6).

Выход передатчика во втором поддиапазоне подключен к входу делителя мощности 9, имеющего выходы по числу излучателей второго поддиапазона, т. е. по числу ПМ 2. В примере на фиг. 1 таких излучателей восемь. Выходы делителя мощности подключены к блоку фазовращателей 10, выходы которого с помощью фидеров 11 подключены к излучателям второго поддиапазона, т.е. подключены к ТИ 5 в центрах каждого ПМ 5 (точки б22 на фиг. 2).

Аналогично выход передатчика в третьем поддиапазоне через делитель мощности 12 и блок фазовращателей 13 с помощью коаксиальных фидеров 14 подключены к ТИ 5 всех остальных ПАЭ 1 (в точках б33). Число фидеров 14 равно числу излучателей третьего поддиапазона. В рассматриваемом примере в каждом ПМ 5 таких излучателей восемь. Следовательно, общее число излучателей третьего поддиапазона 8•8 = 64.

Схема фидерного тракта для питания вертикальных излучателей (в точках а11, а22 и а33 соответственно первого, второго и третьего поддиапазонов) аналогична рассмотренной схеме тракта для горизонтальных излучателей.

На фиг. 1 подключение фидера первого поддиапазона к вертикальному излучателю не показано. На фиг. 2 вертикальные излучатели второго и третьего поддиапазонов подключены соответственно коаксиальными фидерами 11' и 14'.

Сторона прямоугольника Lp, ограничивающего апертуру ФАР, выбирается из условия Lp = λ1min

, где λ1min
- минимальная длина волны первого поддиапазона.

Делители мощности 9 и 12 могут быть реализованы по известным бинарным схемам с включением трансформаторов на отрезках фидера.

Принципы расчета таких делителей мощности известны и описаны (Наденко С. И. Антенны. - М.: 1959, с. 489; Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишутин Б.А. Устройства СВЧ. - М.: 1981, с. 45).

Фазовращатели 10 и 13 могут быть выполнены на коммутируемых отрезках коаксиального кабеля.

Заявленная фазированная антенная решетка работает следующим образом.

С целью более ясного пояснения работы ниже рассматриваются процессы, относящиеся к возбуждению горизонтальных излучателей, т.е. возбуждению ФАР в точках б11, б22 и б33. Все разъяснения справедливы и для возбуждения вертикальных излучателей, т. е. при питании ФАР в точках а11, а22 и а33. При подаче возбуждающего напряжения по фидеру 8 первого поддиапазона к центру ФАР (к точкам б11 на фиг. 1) высокочастотные (в. ч.) токи протекают по симметричному вибратору, образованному ПМ 2, лежащими на оси Б-Б', и подключенными к их внутренним сторонам проводниками 4. Остальные ПМ 2, объединенные друг с другом проводниками 3, выполняют роль распределенного шунта (фиг. 8), чем достигается диапазонная работа излучателя с коэффициентом перекрытия по частоте не менее 4.

При работе передатчика на частотах второго поддиапазона его выходная мощность делится на восемь в делителе мощности 9 и через блок фазовращателей 10, задающий требуемое фазирование, подается на восемь излучателей, образованных каждым ПМ 2. Фидеры 11 подключены в точках б22 в центрах каждого ПМ 2. При этом в каждом ПМ 2 формируется симметричный шунтовой вибратор (фиг. 9), т.е. общее число вибраторов во втором поддиапазоне - восемь.

При работе передатчика на частотах третьего поддиапазона его выходная мощность в делителе 12 делится на число излучателей (в рассматриваемом примере таких излучателей по 8 шт. в каждом ПМ 2, т.е. 8•8 = 64). С выхода блока фазовращателей 13 фидеры 14 подключаются в точках б33 в центрах каждого ПАЭ 1. ПАЭ 1, расположенные на осях симметрии ПМ 2, имеют вид, показанный на фиг. 4, а расположенные на диагоналях ПМ 2 (с-с' и к-к') показаны на фиг. 5.

Все излучатели третьего поддиапазона также представляют собой симметричные шунтовые вибраторы.

Таким образом, общая апертура ФАР, ограниченная прямоугольником со стороной Lp, используется трехкратно для работы в трех поддиапазонах. Этим обеспечиваются существенное расширение общего диапазона рабочих частот, высокий уровень согласования (коэффициент бегущей волны - КБВ) и коэффициент усиления (КУ).

Проверка качества согласования проведена на опытном образце ФАР, предназначенной для работы в диапазоне 1,5 - 60 мГц (первый поддиапазон 1,5 - 6,0 мГц; второй - 2,5 - 10,0 мГц; третий 10 - 60 мГц). Размеры элементов ФАР составили: Lp = 50 м; Lm = 14 м; Lt = 2,32 м.

Экспериментальные измерения качества согласования, показанные на фиг. 10, подтверждают высокую эффективность заявленной антенны.

В диапазоне частот с практически сорокократным перекрытием по частоте при КБВ > 0,4, это является приемлемым для работы с современными широкодиапазонными передатчиками.

Похожие патенты RU2117369C1

название год авторы номер документа
ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА 1994
  • Виноградов Ю.А.
  • Макасеев А.В.
  • Платов В.И.
  • Русин С.В.
  • Самуйлов И.Н.
  • Фитенко Н.Г.
RU2080712C1
ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА 1998
  • Быков В.Г.
  • Самуйлов И.Н.
  • Сосунов Б.В.
  • Фитенко Н.Г.
  • Чернолес В.П.
  • Артамошин А.Д.
RU2133531C1
ПОДЗЕМНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА 2000
  • Быков В.Г.
  • Воробьев В.В.
  • Небеснов А.Ф.
  • Рожков А.Г.
  • Фитенко Н.Г.
  • Чаиркин В.Е.
  • Чернолес В.П.
RU2170997C1
ПОДЗЕМНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА 2001
  • Сотрыхин В.В.
  • Фитенко Н.Г.
  • Чернолес В.П.
RU2185697C1
КОЛЬЦЕВАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА 2000
  • Алексеев С.М.
  • Быков В.Г.
  • Лесов М.А.
  • Норватов В.А.
  • Сосунов Б.В.
  • Фитенко Н.Г.
  • Чернолес В.П.
RU2159488C1
ДИСКОКОНУСНАЯ АНТЕННА (ВАРИАНТЫ) 1998
  • Жиряков В.Д.
  • Костырев А.Л.
  • Попов О.В.
  • Холодкова Л.А.
  • Чернолес В.П.
RU2148287C1
ДУПЛЕКСНАЯ АНТЕННА 1995
  • Жиряков В.Д.
  • Кузнецов В.И.
  • Кочкин В.Б.
  • Авдеева С.В.
  • Шелонин В.С.
  • Чернолес В.П.
RU2100878C1
ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ РЕЗОНАТОРНАЯ АНТЕННА 1996
  • Балабан Д.Ю.
  • Попов О.В.
  • Чернолес В.П.
  • Шулист А.В.
RU2096871C1
ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ РЕЗОНАТОРНАЯ АНТЕННА 1993
  • Балабан Д.Ю.
  • Попов О.В.
  • Чернолес В.П.
  • Шулист А.В.
RU2075803C1
ПОДЗЕМНАЯ ПЕРЕДАЮЩАЯ МОДУЛЬНАЯ АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА 2007
  • Артамошин Александр Дмитриевич
  • Бандейкин Аркадий Павлович
  • Блинов Владимир Николаевич
  • Галеев Кябирь Яхыевич
  • Гапонов Борис Федорович
  • Курышев Анатолий Алексеевич
  • Леппа Владимир Рудольфович
  • Пестовский Игорь Николаевич
  • Чернолес Владимир Петрович
RU2325742C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 117 369 C1

Реферат патента 1998 года ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве подземной или стелющейся приемо-передающей антенны КВ и УКВ-диапазонов. Цель изобретения - построение широкодиапазонной ФАР, обеспечивающей работу с произвольной поляризацией в диапазоне КВ и УКВ. ФАР выполнена в виде совокупности прямоугольных моделей (ПМ), соединенных проводниками и установленных по периметру прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР. Фидер первого поддиапазона с помощью проводников 4 подключен в центре ФАР к двум парам ПМ2 в соответствующих точках. Фидеры второго и третьего поддиапазонов подключены соответственно в центрах каждого ПМ и в центрах плоских антенных элементов, образующих каждый ПМ. Обеспечивается трехкратное использование аппаратуры ФАР, чем достигается широкодиапазонная работа антенны при относительно малой занимаемой площади, что является техническим результатом. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

Формула изобретения RU 2 117 369 C1

1. Фазированная антенная решетка, содержащая плоские антенные элементы, установленные компланарно и горизонтально в полупроводящей среде или на ее поверхности и подключенные к независимым ортогональным каналам фидерных трактов соответствующих поддиапазонов, отличающаяся тем, что плоские антенные элементы объединены в прямоугольные модули, установленные по периметру прямоугольника, ограничивающего апертуру фазированной антенной решетки, на его диагоналях и осях симметрии, проходящих через середины его сторон, причем внешние стороны прямоугольных модулей соединены друг с другом дополнительными проводниками и совмещены со сторонами прямоугольника, ограничивающего апертуру фазированной антенной решетки, стороны пар прямоугольных модулей, установленных на осях симметрии, обращенные к центру апертуры фазированной антенной решетки, подключены отрезками проводников к соответствующему независимому ортогональному каналу фидерного тракта первого поддиапазона, а каждый прямоугольный модуль подключен к независимым ортогональным каналам фидерных трактов второго и третьего поддиапазонов. 2. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что в каждом прямоугольном модуле плоские антенные элементы выполнены в виде двух ортогональных пар треугольных излучателей, внешние концы треугольных излучателей, принадлежащих друг к другу плоским антенным элементам, электрически соединены, а внешние концы треугольных излучателей, принадлежащих периферийным плоским антенным элементам, соединены по периметру прямоугольного модуля дополнительными короткозамыкающими проводниками, причем внешние концы треугольных излучателей, примыкающие с двух сторон к диагоналям прямоугольного модуля, электрически развязаны, а внешние концы остальных треугольных излучателей соединены короткозамыкающими проводниками, при этом независимые ортогональные каналы фидерного тракта второго поддиапазона подключены к вершинам соответствующих пар треугольных излучателей плоского антенного элемента, расположенного в центре прямоугольного модуля, а вершины треугольных излучателей остальных плоских антенных элементов подключены попарно к независимым ортогональным каналам фидерного тракта третьего поддиапазона. 3. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что отрезки проводников, которыми стороны прямоугольных модулей подключены к фидерному тракту первого поддиапазона, соединены со сторонами в углах прямоугольных модулей. 4. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что формы прямоугольника, ограничивающего апертуру фазированной антенной решетки, и прямоугольного модуля подобны, а коэффициент их подобия выбран в пределах 3,5 - 4.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1998 года RU2117369C1

ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА 1994
  • Виноградов Ю.А.
  • Макасеев А.В.
  • Платов В.И.
  • Русин С.В.
  • Самуйлов И.Н.
  • Фитенко Н.Г.
RU2080712C1
RU 94031192 A1, 20.06.96
RU 2000635 C, 07.09.93
US 5233361 П, 03.08.93
US 4937585 A, 26.06.90
US 5181042 A, 19.01.93
Прибор для очистки паром от сажи дымогарных трубок в паровозных котлах 1913
  • Евстафьев Ф.Ф.
SU95A1
УСТРОЙСТВО для ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ 0
SU301580A1
Сплав для твердого электролита 1973
  • Хорохонова Людмила Александровна
  • Симонова Марина Владимировна
  • Калинин Сергей Никандрович
  • Виноградов Олег Николаевич
SU504842A1

RU 2 117 369 C1

Авторы

Быков В.Г.

Павлов Б.А.

Самуйлов И.Н.

Фитенко Н.Г.

Чернолес В.П.

Артамошин А.Д.

Даты

1998-08-10Публикация

1997-07-22Подача