КОЛЬЦЕВАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2000 года по МПК H01Q21/06 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и может быть использовано в качестве подземной или приземной приемной или передающей антенны с управляемой диаграммой направленности (ДН), обеспечивающей широкодиапазонную работу в коротковолновом (KB) и ультракоротковолновом (УКВ) диапазонах.

Заявленная кольцевая фазированная антенная решетка (КФАР) расширяет арсенал средств данного назначения.

Известны фазированные антенные решетки (ФАР), описанные в книге: Сосунов Б.В., Филиппов В.В. "Основы расчета подземных антенн": -Л., ВАС, 1990. Известные аналоги выполнены в виде нескольких групп параллельных изолированных вибраторов, размещенных в одной плоскости под поверхностью земли.

Однако известные аналоги имеют малый рабочий диапазон по согласованию из-за резких изменений входного импеданса в диапазоне частот.

Известна также подземная ФАР по пат. РФ N2080712, МПК H 01 Q 21/00, опубл. 25.05.97 г., состоящая из плоских элементов (ПЭ), каждый из которых образован двумя ортогональными парами излучателей. ПЭ размещены в одной плоскости и их излучатели подключены к тракту питания, включающему низкочастотный (н.ч.) и высокочастотный (в.ч.) каналы, а ортогональные пары излучателей запитаны независимо.

Однако известная ФАР обладает неравномерной ДН из-за отсутствия азимутальной симметрии апертуры, требует два тракта питания для н.ч. и в.ч. поддиапазонов и занимает относительно большую площадь.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является кольцевая ФАР по пат. РФ N2133531, МПК H 01 Q 21/00, опубл. 20.07.99 г. Известная ФАР состоит из группы ПЭ, установленных попарно симметрично относительно центрального ПЭ, размещенного в центре апертуры ФАР. Каждый ПЭ состоит из двух ортогональных пар излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды или на ее поверхности. Излучатели выполнены в форме четырехугольников, симметричных относительно их продольной оси и с отличающимися углами при вершинах, лежащих на этой оси. Продольные оси одной из пар излучателей в каждом ПЭ ориентированы по соответствующей диагонали апертуры ФАР. Внешние концы излучателей в каждом ПЭ соединены короткозамкнутыми (к.з. ) проводниками, примыкающие друг к другу ПЭ электрически соединены. Излучатели ПЭ в центре ФАР подключены к н.ч. тракту питания, а излучатели остальных ПЭ подключены к в.ч. тракту питания. Ортогональные пары излучателей каждого ПЭ запитаны независимо.

При такой схеме достигается идентичность ДН при фазировании излучателей в заданных азимутальных направлениях.

Однако в ФАР прототипе приемлемая диапазонность достигается применением двух трактов питания в в.ч. и н. ч. поддиапазонах, что усложняет конструкцию антенны и требует относительно большую площадь для ее развертывания.

Целью изобретения является разработка кольцевой ФАР, обеспечивающей широкодиапазонную работу при одном тракте питания.

Поставленная цель достигается тем, что в известной кольцевой фазированной антенной решетке (КФАР), содержащей группу ПЭ, установленных попарно симметрично относительно центра апертуры КФАР, каждый ПЭ содержит пару излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды или на ее поверхности и продольные оси которых ориентированы по диагоналям апертуры КФАР, внешние концы излучателей в каждом ПЭ соединены между собой к.з. проводниками, к. з. проводники примыкающих друг к другу ПЭ электрически соединены, а концы излучателей в центре каждого ПЭ подключены к фидерному тракту, причем каждый излучатель выполнен в форме четырехугольника, симметричного относительно его продольной оси и с отличающимися углами при вершинах, лежащих на этой оси, дополнительно введены отрезки коаксиальных кабелей по числу ПЭ КФАР. Излучатели каждого ПЭ подключены к соответствующему коаксиальному кабелю фидерного тракта отрезком коаксиального кабеля. Каждый отрезок коаксиального кабеля установлен от центра апертуры КФАР к примыкающим друг к другу концам излучателей ПЭ вдоль диагонали КФАР, проходящей через ось симметрии этих излучателей. Экранные оболочки всех отрезков коаксиальных кабелей в центре апертуры КФАР электрически соединены. Коаксиальные кабели фидерного тракта размещены под плоскостью апертуры КФАР и ориентированы вдоль одной из диагоналей КФАР, проходящей через точку электрического соединения к.з. проводников примыкающих друг к другу ПЭ.

При такой схеме обеспечивается формирование вдоль диагоналей апертуры КФАР, проходящих через ось симметрии излучателей соответствующей пары ПЭ, общего излучателя с вынесенными точками питания, чем и достигается его широкодиапазонная работа от одного фидерного тракта.

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".

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:
на фиг. 1 - общая схема КФАР;
на фиг.2 - схема плоского элемента;
на фиг.3 - узел подключения излучателей к кабелям фидерного тракта;
на фиг.4 - схема фидерного тракта;
на фиг.5 - схема блока диаграммо-образующей схемы;
на фиг.6 - схема коммутатора;
на фиг.7 - схема инвертора;
на фиг.8 - схема сумматора;
на фиг.9 - рисунки, поясняющие работу КФАР;
на фиг.10 - результаты экспериментальных измерений КБВ;
на фиг.11 - рассчетные ДН КФАР.

Заявленная кольцевая фазированная антенная решетка, показанная на фиг. 1, состоит из группы из N (на фиг.1 N = 8) плоских элементов (ПЭ) 1, (см. также фиг.2), расположенных попарно симметрично по диагоналям апертуры КФАР (например, диагональ c-c') относительно центра апертуры КФАР (точка "0"). Центры ПЭ 1 расположены по окружности радиуса R. Каждый ПЭ 1 состоит из пары излучателей 2 (на фиг.1 - заштрихованы) длиной L, выполненных в форме четырехугольника, симметричного относительно его продольной оси, и с неравными углами α и β при вершинах, расположенных на его продольной оси симметрии. Пары ПЭ 1, установленные на одной диагонали КФАР, запитаны противофазно. Все излучатели установлены компланарно в полупроводящей среде (Земле) или на ее поверхности. Внешние концы излучателей 2 в каждом ПЭ 1 с помощью к.з. проводников 3 соединены друг с другом. К.з. проводники 3, принадлежащие примыкающим друг к другу ПЭ 1, электрически соединены (точки "a"). Форма к.з. проводников 3 принципиального значения не имеет: она может быть в виде ломаной линии или дуги окружности, описывающей излучатели, как это показано на фиг.1 и на фиг.2. Излучатели 2 могут быть выполнены так же как и в прототипе, либо в виде сплошных металлических пластин, либо в виде радиально расходящихся от точек подключения к фидеру проводников (от точек b-b'). Углы α и β выбирают из условия достижения наилучшего согласования в диапазоне рабочих частот в пределах: α =53-58^o; β =165- 175^o. По диагоналям апертуры КФАР, совпадающим с осями симметрии излучателей 2 ПЭ 1, установлены отрезки 4 коаксиального кабеля длиной R. Число отрезков 4 коаксиального кабеля равно числу ПЭ 1 и подключены они одним концом в центре соответствующего ПЭ 1 к примыкающим вершинам излучателей 2 (фиг. 2): экранной оболочкой к одному излучателю (точки "b"), а центральным проводником - к другому (точки "b'").

Вторые концы отрезков 4 коаксиального кабеля подключены в центре апертуры КФАР к соответствующему кабелю фидерного тракта 5 (см. также фиг.3). Причем в центре апертуры КФАР экранные оболочки всех отрезков 4 коаксиальных кабелей электрически соединены, например с помощью проводников 6, (см. фиг. 3) и заземлены (точка "k" на фиг.1 и 3). Отрезки 4 коаксиальных кабелей имеют одинаковую длину R от точек их подключения (b-b') до точек заземления их экранных оболочек (точка "k"). Пучок кабелей 5 фидерного тракта размещен под плоскостью апертуры КФАР и уложен вдоль одной из диагоналей, проходящей через точку электрического соединения (точки "a") к.з. проводников 3, примыкающих друг к другу ПЭ 1.

Длину L излучателей 2 выбирают из условия достижения приемлемого качества согласования в низкочастотной части рабочего диапазона. Экспериментально установлено, что коэффициент бегущей волны (КБВ) на уровне не менее 0,4 достигается при условии L ≥ 0,02 λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн. Радиус R соотносится с длиной излучателей L как R/L=2,2-2,3. Таким образом, максимальный размер D апертуры КФАР составляет D=2(R+L). В общем случае фидерный тракт состоит из N-делителей мощности 7 (по числу ПЭ 1), сгруппированных попарно, входы которых подключены к кабелям фидерного тракта от ПЭ 1, расположенных на одной диагонали КФАР. Например, первая пара входов фидерного тракта, являющаяся входами первой пары делителей мощности 7, 7' подключена к кабелям фидерного тракта от первого и (N/2+1)-гo ПЭ 1, вторая - от второго и (N/2+2) и т.д.

Если первым считать ПЭ 1, расположенный вверху на диагонали c-c' (см. фиг. 1), то ПЭ 1, расположенный внизу этой диагонали будет иметь номер N/2+1 = 5 и т.д. Каждый делитель снабжен М выходами. Выходы делителей мощности 7 по методу "перетасовки" подключены к соответствующим N входам каждого из M блоков диаграммообразующих схем (ДОС) 8. Число M блоков ДОС 8 зависит от требований по количеству формируемых независимых лучей диаграммы направленности (ДН) КФАР. Так при M = 1 имеет место однолучевая КФАР, при M=2-двухлучевая и т.д. Максимальное значение M = N/2. Выходы M блоков ДОС 8 являются соответствующими M выходами фидерного тракта.

Блоки ДОС 8 идентичны и схема их приведена на фиг. 5. Блок ДОС 8 состоит из N линий задержек (ЛЗ) 9, входы которых являются соответствующими N входами блока ДОС 8.

Выходы ЛЗ 9 попарно (9 и 9') подключены к первому и второму входам соответствующего коммутатора 10, т.е. в каждом блоке ДОС 8 содержится N/2 коммутаторов. Первый и второй выходы каждого из коммутаторов 10 подключены соответственно к первому и второму входам соответствующих инверторов 11, выходы которых подключены к соответствующим N/2 входам сумматора 12. Выход сумматора 12 является выходом соответствующего блока ДОС 8.

Фазирование i-го луча ДН, где i = 1,2,...M, от N ПЭ 1 в требуемом направлении обеспечивается подключением выходов делителей мощности 7 к соответствующим входам i-го блока ДОС 8 по принципу "перетасовки" их входов. Принцип "перетасовки" известен и описан в работе: "Принципы построения и характеристики антенн радиотелескопа УТР-2./ Мень А.В., Содин Л.Г. и др. // Антенны: сб. статей. Вып. 26 /Под ред. Пистолькорса А.А.,-М.: Радио и связь, 1978.

Делители мощности 7 предназначены для разделения мощности сигнала, принятого соответствующим излучателем, по количеству М использованных в фидерном тракте блоков ДОС 8. Делители мощности 7 могут быть реализованы по известным бинарным схемам с включением трансформаторов на отрезках фидера. Принципы расчета таких делителей мощности известны и описаны, например в книгах: С.И. Надененко "Антенны." -М.: Сов. радио, 1959, с. 489; Д.М. Сазонов, А.Н. Гридин, Б.А. Мишутин "Устройство СВЧ."- М.: Радио и связь, 1981, с. 45.

Линии задержки 9 предназначены для обеспечения требуемого сдвига по фазе сигнала от соответствующего излучателя, при котором достигается формирование луча ДН в требуемом направлении. ЛЗ 9 могут быть выполнены на коммутируемых отрезках коаксиального кабеля.

Коммутатор 10 предназначен для перекоммутации выходных сигналов от излучателей 2, принадлежащих ПЭ 1, расположенным на концах одной диагонали апертуры КФАР. Этим обеспечивается реверс ДН, т.е. изменение ориентации луча ДН на 180^o. Коммутатор 10 представляет собой двухпозиционный переключатель, показанный на фиг. 6.

Инвертор 11 предназначен для синфазного сложения противофазных сигналов от излучателей 2, принадлежащих ПЭ 1, находящимся на концах одной диагонали. Инвертор 11 может быть выполнен в виде трансформатора (фиг. 7), выводы первичной обмотки которого являются входами инвертора 11. Первый вывод вторичной обмотки является выходом инвертора 11, а второй вывод вторичной обмотки заземлен.

Сумматор 12 предназначен для сложения сигналов от всех подключенных к блоку ДОС 8 излучателей. Сумматор может быть выполнен по схеме трансформатора (фиг. 8) с N/2 первичными и одной общей вторичной обмоткой.

Заявленная КФАР работает следующим образом.

Пары излучателей 2, находящиеся на противоположных концах одной из диагоналей (фиг. 9а), подключены к фидерному тракту противофазно и образуют совместно с отрезками 4 коаксиальных фидеров единый излучатель с вынесенным в двух сечениях возбуждением. Эквивалентная схема такого излучателя показана на фиг. 9б. На этой же схеме показаны эпюры распределения амплитуд тока в низкочастотной части диапазона. Для сравнения на фиг. 9г показаны эпюры для аналогичных двух пар излучателей в прототипе. Очевидно, что общая площадь тока, обусловленная двумя парами излучателей в заявленном устройстве, больше. Это однозначно указывает на их большую действующую длину и, следовательно, более высокую эффективность в сравнении с прототипом.

В высокочастотной части диапазона распределение амплитуд тока вдоль излучателей убывает по экспоненциальному закону (см. фиг. 9в) из-за большего проявления поглощающих свойств полупроводящей среды. Т.е. происходит автоматическая "отсечка" проводников 4 и при этом не нарушается качество согласования в широком диапазоне частот.

Диапазонность по согласованию обусловлена также и тем, что каждый ПЭ 1 представляет собой самодополнительную структуру, образованную выбранной формой излучателей 2 и к.з. проводников 3. Отмеченное обеспечивает работу КФАР в KB и УКВ диапазонах от одного общего фидерного тракта, что упрощает конструкцию КФАР и себестоимость ее изготовления.

Проверка качества согласования проведена на опытном образце КФАР, предназначенной для работы в диапазоне 1,5 МГц. Размеры элементов составили D = 25,6 м; L = 4 м; R = 8,8 м, к.з. проводники 3 выполнены из провода диаметром 0,01 м, излучатели изготовлены из пластин оцинкованной жести толщиной 0,5 мм, с углами α =55^o; β =170^o. Результаты экспериментальных измерений коэффициента бегущей волны (КБВ), показанные на фиг. 10, подтверждают возможность широкодиапазонной работы КФАР (КБВ>0,4) при использовании одного фидерного тракта.

На фиг. 11 приведены рассчитанные парциальные ДН КФАР в азимутальной плоскости при использовании четырех блоков ДОС 8, т.е. при М = 4. Путем подключения к входу приемника соответствующего выхода фидерного тракта и возможности реверсирования ДН достигается возможность устойчивого приема сигналов в полном азимутальном угле при высоком уровне коэффициента направленного действия.

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в качестве подземной или приземной приемной или передающей антенны с управляемой диаграммой направленности (ДН). Техническим результатом является кольцевая фазированная антенная решетка, обеспечивающая широкодиапазонную работу при одном тракте питания. Кольцевая фазированная антенная решетка (КФАР) состоит из N плоских элементов (ПЭ), расположенных попарно симметрично по диагоналям апертуры КФАР. Каждый ПЭ состоит из пары излучателей, выполненных в виде четырехугольных пластин, установленных компланарно в полупроводящей среде или на ее поверхности. Внешние концы излучателей соединены к. з. проводниками, а внутренние - с помощью отрезков коаксиального кабеля подключены к кабелям фидерного тракта. К.з. проводники примыкающих друг к другу ПЭ электрически соединены. Приведены соотношения размеров элементов КФАР, при которых реализуется наибольшая диапазонность КФАР при ее питании от одного фидерного тракта. 11 ил.

Кольцевая фазированная антенная решетка, содержащая группу плоских элементов, установленных попарно симметрично относительно центра апертуры кольцевой фазированной антенной решетки, каждый плоский элемент содержит пару излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды или на ее поверхности, продольные оси которых ориентированы по диагоналям апертуры кольцевой фазированной антенной решетки, внешние концы излучателей в каждом плоском элементе соединены между собой короткозамкнутыми проводниками, а короткозамкнутые проводники примыкающих друг к другу плоских элементов электрически соединены, концы излучателей в центре каждого плоского элемента подключены к фидерному тракту, причем каждый излучатель выполнен в форме четырехугольника симметрично относительно его продольной оси и с отличающимися углами при вершинах, лежащих на этой оси, отличающаяся тем, что в каждом плоском элементе излучатели подключены к соответствующему им кабелю фидерного тракта при помощи отрезка коаксиального фидера, установленного от центра апертуры кольцевой фазированной антенной решетки до примыкающих друг к другу концов излучателей вдоль диагонали кольцевой фазированной антенной решетки, проходящей через продольные оси этих излучателей, причем экранные оболочки отрезков коаксиального кабеля электрически соединены между собой в центре апертуры кольцевой фазированной антенной решетки, а коаксиальные кабели фидерного тракта размещены под плоскостью апертуры кольцевой фазированной антенной решетки и ориентированы вдоль одной из диагоналей кольцевой фазированной антенной решетки, проходящей через точку электрического соединения короткозамкнутых проводников примыкающих друг к другу плоских элементов.