АНТЕННА С КРУГОВОЙ ИЛИ СЕКТОРНОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ Российский патент 2000 года по МПК H01Q25/00 H01Q3/46 

Изобретение относится к антенной техникe, приборам и устройствам для излучения акустических волн в заданный сектор или зону обзора.

Известна антенна, содержащая преобразователи, расположенные на криволинейной образующей поверхности излучения, выполненная в виде дуги окружности или сектора цилиндра [1].

Антенна состоит из цилиндра, образующая которого набрана из отдельных ненаправленных активных элементов, запитываемых сигналами рабочей частоты через фазовращающие цепи или линии задержки.

Антенна может быть использована для секторного или кругового обзора, то есть для излучения акустической энергии в секторе пространства обзора.

Причинами, препятствующими использованию рассмотренной антенны кругового или секторного обзора, являются высокий уровень бокового поля - до 25-30%, т.е. излучения вне заданного сектора; значительная неравномерность излучения энергии в различных направлениях внутри заданного сектора (более 3 дБ); низкий коэффициент осевой концентрации из-за большого взаимного влияния отдельных ненаправленных активных элементов при формировании направленного излучения; большая крутизна ската амплитуды характеристики направленности на краях заданного сектора; сложность изготовления активной излучающей поверхности цилиндрической формы и практическая невозможность получения идеальной поверхности при больших абсолютных размерах антенны (при диаметре более 15-20 см); высокая чувствительность характеристик антенны к частоте излучаемого сигнала.

Признаками схожести рассмотренной антенны с изобретением являются наличие криволинейной образующей поверхности излучения; секторная или круговая зона обзора.

Известна антенна с секторной диаграммой направленности [2]. Известная антенна состоит из плоского многоэлементного преобразователя, плоская излучающая поверхность которого набрана из отдельных активных ненаправленных элементов, запитываемых через фазовращающие цепи или линии задержки.

Причинами, препятствующими применению рассмотренной антенны секторного обзора, являются малая зона обзора (обычно порядка 60^o), высокий уровень дополнительных лепестков или малая крутизна диаграммы направленности, невозможность регулировать независимо друг от друга уровень дополнительных лепестков и крутизну диаграммы направленности, необходимость значительно (в несколько раз) увеличивать ее линейные размеры для улучшения на несколько процентов характеристик диаграммы направленности, сложность питания активных элементов, зависимость ширины диаграммы направленности от частоты.

Признаками схожести рассмотренной антенны с изобретением являются плоские многоэлементные преобразователи, плоская излучающая поверхность, секторная зона обзора.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является "широкополосная антенна с постоянной шириной лепестка" [3].

Известная антенна имеет секторную диаграмму направленности и состоит из набора плоских направленных секций преобразователей, расположенных на плоской поверхности излучения, набранных из отдельных ненаправленных активных элементов, запитываемых через фазовращающие цепи или линии задержки.

Причинами, препятствующими применению рассмотренной антенны, являются большая зависимость неравномерности диаграммы направленности от частоты и от разбросов электромеханических параметров активных элементов антенны; ограниченная зона обзора (порядка 60^o); малый коэффициент осевой концентрации; высокий уровень дополнительных лепестков; зависимость крутизны ската диаграммы направленности на краях сектора от частоты излучаемого сигнала; сложность цепей питания элементов антенны, так как постоянство ширины диаграммы направленности в заданной полосе рабочих частот на стандартном уровне 0,707 достигается за счет выбора геометрического размера плоской секции и фазовращающих цепей или линий задержки практически для каждой из частот; сложность конструкции антенны.

Признаками схожести рассмотренной антенны с изобретением являются набор плоских направленных секций; плоская излучающая поверхность, постоянная ширина диаграммы направленности в полосе частот; секторная зона обзора.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение неравномерности излучения в область обзора; увеличение зоны обзора; повышение коэффициента осевой концентрации; устранение дополнительных лепестков в диаграмме направленности при изменении частоты излучения; достижение постоянства ширины характеристики направленности в широкой полосе рабочих частот; увеличение крутизны ската диаграммы направленности; упрощение конструкции антенны и цепей ее питания.

Для достижения технического результата в антенне с круговой или секторной диаграммой направленности, содержащей ряд направленных преобразователей с плоской апертурой раскрыва, эти направленные преобразователи выполнены в виде преобразователей накачки параметрических излучателей, расположены на криволинейной образующей радиусом r и развернуты один относительно другого так, что акустические оси двух соседних направленных преобразователей не пересекаются, при этом угол α₀ между их осями, линейный размер отдельного направленного преобразователя накачки "а", в соответствующей плоскости сканирования, стрела прогиба h между ними, длины волн частот накачки на нижней частоте λ_н и на верхней частоте λ_в, сектор области обзора α, ширина характеристики направленности по давлению по уровню 0,7-Θ_0,7 и число отдельных направленных преобразователей накачки N, необходимых для перекрытия области обзора α, связаны соотношениями

0,5λ_н ≤ h ≤ λ_в;

Теоретическое обоснование возможности достижения технического результата заключается в следующем.

Так как в качестве направленных преобразователей накачки могут быть использованы преобразователи накачки параметрических излучателей, то известно [4] , что наиболее эффективно нелинейное взаимодействие волн накачки имеет место в случае, если их волновой фронт является плоским, а распространение их является коллинеарным. В реальном случае при распространении волн накачки наиболее эффективное взаимодействие волн происходит, если преобразователь имеет плоскую апертуру, так как в этом случае в ближней зоне преобразователя (равной I_D) распространяется плоская волна. Поэтому в устройстве выбрана плоская апертура преобразователей, а не, например, цилиндрическая или сферическая. Так как в устройстве преобразователи развернуты друг относительно друга на определенный угол α₀, то волны накачки, излучаемые соседними направленными преобразователями, во-первых, не интерферируют между собой, т. е. не влияют на формирование диаграммы направленности соседних преобразователей, во-вторых, эти волны не коллинеарны друг с другом, т.е. взаимодействие волн, проникающих от соседних преобразователей, неэффективно. Если угол выбрать меньше, чем вычисленный по предлагаемой формуле, то диаграмма направленности устройства будет не секторной, а, наоборот, станет обужаться, причем проявится значительная неравномерность более 3 дБ излучения в пределах диаграммы. Если угол α₀ выбрать больше, чем вычисленный по предлагаемой формуле, то в секторной диаграмме направленности появятся значительные провалы более 3 дБ, т.е. секторная диаграмма начнет расщепляться. Подбором угла α₀, в заданных пределах, можно получить секторную диаграмму, у которой неравномерность не превышает 0,5-3 дБ.

Известно [4] , что диаграмма направленности параметрического излучателя практически постоянна в широкой полосе рабочих частот и в диаграмме направленности рабочего сигнала, образованного в результате нелинейного взаимодействия волн накачки, практически нет боковых лепестков, поэтому в секторной диаграмме заявляемого устройства также отсутствуют боковые лепестки и она постоянна в широкой полосе частот.

Коэффициент осевой концентрации предлагаемой антенны выше, чем у прототипа, так как раскрыв диаграммы направленности на разностной рабочей частоте равен раскрыву на частоте накачки, при этом ширина диаграммы по заданному уровню определяется геометрическим размером на частоте накачки.

Известным является также тот факт, что диаграмма направленности рабочего сигнала параметрического излучателя не зависит от частоты [4], поэтому форма круговой или секторной диаграммы не зависит от частоты, то есть неравномерность диаграммы и крутизна ската ее на краях сектора остаются постоянными в широкой полосе частот. Как правило, в качестве рабочего сигнала применяется сигнал разностной частоты F_= f_в - f_н, однако может быть использован и сигнал суммарной частоты F = f_в + f_н.

Все преобразователи накачки могут запитываться по одному или нескольким каналам, но при этом в цепях питания отсутствуют фазовращатели или линии задержки.

Количество преобразователей накачки влияет на крутизну ската на краях сектора. Если в устройстве используются два преобразователя накачки, то крутизна ската диаграммы приблизительно в два раза выше, чем у прототипа на нижней частоте диапазона. В случае использования большого количества преобразователей накачки, развернутых под углом α относительно друг друга, может быть сформирована почти идеальная П-образная секторная диаграмма направленности.

Количество одновременно включенных преобразователей накачки определяет сектор или зону обзора, поэтому простым отключением или подключением необходимого числа преобразователей накачки можно оперативно управлять секторной диаграммой направленности и увеличить сектор обзора вплоть до кругового.

Анализ известных технических решений показывает, что изобретение соответствует критерию новизны и изобретательского уровня.

На фиг. 1 изображена схематично антенна с круговой (секторной) диаграммой направленности.

На фиг. 2 - часть секторной диаграммы направленности, формируемой двумя отдельными направленными преобразователями накачки на рабочей частоте этой же антенной.

Антенна состоит (фиг. 1) из отдельных направленных преобразователей накачки параметрических излучателей 1, расположенных на криволинейной образующей 2 радиусом r и развернутых один относительно другого так, что акустические оси двух соседних преобразователей образуют угол α₀. Все преобразователи накачки направленные и имеют плоскую апертуру раскрыва размером "а". Величина стрелы прогиба h выбрана между двумя соседними преобразователями в пределах 0,5λ_н ≤ h ≤ λ_в.
Устройство работает следующим образом.

Для излучения акустических волн в заданный сектор или в зону обзора на преобразователи накачки 1 подают две или несколько частот накачки.

Цифрами 3, 4 обозначены пространственные области нелинейной среды распространения частот волн накачки для каждого отдельного направленного преобразователя, в которых генерируются сигналы и формируются диаграммы направленности 5 рабочей (разностной) частоты. Все преобразователи 1 одновременно излучают волны накачки, то есть каждый из этих преобразователей излучает акустические сигналы, например, с двумя частотами f_н и f_в. В среде распространения 3 в результате нелинейного взаимодействия формируются сигналы рабочей частоты F_ = f_в ± f_н.

Каждый из преобразователей накачки 1 формирует (фиг.2) на рабочей частоте диаграмму направленности 5 (сплошные линии). Круговая или секторная диаграмма направленности 6 (пунктирная линия) является суммой диаграмм 5. Причем отдельные преобразователи накачки 1 расположены относительно друг друга под таким углом α₀ и стрела прогиба h выбрана так, что, с одной стороны, каждый из этих преобразователей накачки формирует свою диаграмму направленности сигнала рабочей частоты 5 и не влияет на диаграммы направленности 5 рабочего сигнала, формируемые соседними преобразователями.

С другой стороны, между диаграммами направленности 5 рабочего сигнала, формируемыми соседними преобразователями, не образуются зоны 4, в которых излучение меньше установленного уровня 3 дБ, т.е. в суммарной секторной или круговой диаграмме направленности 5 отсутствуют провалы или выбросы. Экспериментальным путем найдено, что минимальное значение величины h, влияющей на угол α₀, не должно быть меньше половины длины акустической волны на нижней частоте накачки f_н, а максимальное значение h не должно превышать длину волны на верхней частоте накачки f_в. В этих случаях заявляемое устройство формирует круговую или секторную диаграмму направленности 5, неравномерность которой не превышает стандартную норму, принятую в акустических измерениях, равную 3 дБ.

Предлагаемая антенна может найти свое применение в локационных устройствах обнаружения объектов в условиях ограниченного пространства, в частности в задачах гидролокации для обнаружения и распознавания малоразмерных объектов, находящихся в приповерхностном или придонном слое; для прецизионного донного профилирования осадков; обнаружения заиленных объектов с высокой пространственной разрешающей способностью; при проведении дноуглубительных работ, прокладки линий связи, трубопроводов; для построения измерительных широкополосных акустических излучателей при градуировке звукоприемников в лабораторных и натурных условиях и т.д.

Источники информации
1. Смарышев М.Д. Направленность гидроакустических антенн.- Л., 1973, с. 127-131.

2. Зелкин Е.Г. Построение излучающей системы по заданной диаграмме направленности. - Л., 1963, с. 176-184.

3. Д. Такер. Гидролокаторы/ В кн. "Подводная акустика" под ред. Л.М. Бреховских, М.: Мир, 1965, с. 45 - 47.

4. Новиков Б.К, Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика/Л. : Судостроение, 1981, с. 264.

Изобретение относится к области антенной техники, приборам и устройствам для излучения акустических волн в заданный сектор или зону обзора. Техническим результатом является снижение неравномерности излучения в области обзора; увеличение зоны обзора; повышение коэффициента осевой концентрации; устранение дополнительных лепестков в диаграмме направленности при изменении от частоты излучения; достижение постоянства ширины характеристики направленности в широкой полосе частот; увеличение крутизны ската диаграммы направленности; упрощение конструкции антенны и цепей ее питания. Антенна с круговой или секторной диаграммой направленности содержит ряд направленных преобразователей накачки параметрических акустических излучателей с плоской апертурой раскрыва, расположенных на криволинейной образующей радиуса r и развернутых один относительно другого так, что пространственные области взаимодействия двух соседних преобразователей накачки не пересекаются, при этом угол между их осями α_o, линейный размер отдельного направленного преобразователя накачки a, в соответствующей плоскости сканирования, стрела прогиба h между ними, сектор области обзора α, ширина характеристики направленности и число отдельных направленных преобразователей накачки N, необходимых для перекрытия области обзора α, связаны определенными соотношениями. 2 ил.

Антенна с круговой или секторной диаграммой направленности, содержащая ряд направленных преобразователей с плоской апертурой раскрыва, отличающаяся тем, что направленные преобразователи выполнены в виде преобразователей накачки параметрических излучателей, расположены на криволинейной образующей радиусом r и развернуты один относительно другого так, что акустические оси двух соседних направленных преобразователей накачки не пересекаются, при этом угол α_o между их осями, линейный размер отдельного направленного преобразователя накачки a, в соответствующей плоскости сканирования, стрела прогиба h между ними, длины волн частот накачки на нижней частоте λ_н и на верхней частоте λ_в, сектор области обзора α, ширина характеристики направленности по давлению по уровню 0,7-θ_0,7 и число отдельных направленных преобразователей накачки N, необходимых для перекрытия области обзора α, связаны соотношениями

0,5λ_н≤ h ≤ λ_в;