ПОДЗЕМНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2002 года по МПК H01Q21/00 

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

Заявленная подземная фазированная антенная решетка (ПФАР) расширяет арсенал средств данного назначения.

Известна ПФАР по пат. РФ 2080712, МПК H 01 Q 21/00, опубл. 25.05.97 г., состоящая из плоских элементов (ПЭ), каждый из которых образован двумя ортогональными парами излучателей. Плоские элементы размещены в одной плоскости и их излучатели подключены к тракту питания, включающему низкочастотный (н.ч.) и высокочастотный (в.ч.) каналы.

Однако известная ПФАР требует два тракта питания для н.ч. и в.ч. поддиапазонов и занимает относительно большую площадь.

Известна также кольцевая ФАР по пат. РФ 2133531, МПК H 01 Q 21/00, опубл. 20.07.99 г. Известная ФАР состоит из группы плоских элементов, размещенных компланарно и образующих апертуру в форме круга. Каждый ПЭ содержит по две пары ортогональных излучателей, подключенных к н.ч. и в.ч. фидерным трактам. При такой схеме достигается идентичность диаграмм направленности (ДП) при фазировании излучателей в заданных азимутальных направлениях.

Однако данная ФАР также требует применения двух трактов питания, что усложняет ее конструкцию и увеличивает площадь апертуры.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная подземная ФАР по пат. РФ 2159488, МПК H 01 Q 21/00, опубл. 20.11.2000 г. ФАР - прототип состоит из группы ПЭ, размещенных компланарно в пределах или на поверхности полупроводящей среды (например, в толще или на поверхности земли). Каждый ПЭ содержит пару излучателей, внешние концы которых соединены между собой с помощью короткозамкнутых (к.з.) проводников. Концы излучателей в центрах ПЭ с помощью отрезков коаксиального фидера подключены к фидерному тракту. Каждый излучатель выполнен в форме четырехугольника, симметричного относительно его продольной оси, с отличающимися углами при вершинах. Продольные оси излучателей ориентированы вдоль диагонали апертуры. Примыкающие друг к другу ПЭ электрически соединены между собой. Экранные оболочки отрезков коаксиального кабеля в центре апертуры соединены между собой. Коаксиальные кабели фидерного тракта размещены вдоль одной из диагональной апертуры.

При такой схеме обеспечивается широкодиапазонная работа ФАР при использовании общего тракта питания для в.ч. и н.ч. поддиапазонов.

Однако известная ФАР обладает относительно малой эффективностью (коэффициентом усиления - КУ), особенно в в.ч. поддиапазоне из-за резкой неравномерности распределения амплитуд тока вдоль апертуры ФАР.

Целью изобретения является разработка ПФАР, обеспечивающей достижение более высокой эффективности за счет обеспечения равномерного распределения амплитуд тока вдоль апертуры ПФАР как в в.ч., так и в н.ч. поддиапазонах.

Поставленная цель достигается тем, что в известной подземной ФАР, содержащей группу ПЭ, установленных компланарно в пределах или на поверхности полупроводящей среды, в которой каждый ПЭ содержит пару излучателей, внешние концы которых соединены друг с другом к.з. проводниками, концы излучателей в центре ПЭ при помощи соответствующих отрезков коаксиального фидера подключены к фидерному тракту, а к.з. проводники примыкающих друг к другу ПЭ между собой электрически соединены, излучатели выполнены в форме равносторонних треугольников. ПЭ размещены вдоль n параллельных прямых, где n=2,3... Продольные оси излучателей ориентированы вдоль этих прямых. Внешние концы излучателей, принадлежащих примыкающим друг к другу ПЭ, размещены вдоль одной прямой, электрически соединены между собой. ПЭ, размещенные вдоль примыкающих прямых, смещены вдоль этих прямых относительно друг друга на расстояние, равное длине одного излучателя. К.з. проводники ПЭ, размещенных вдоль примыкающих прямых, совмещены и электрически соединены между собой. В каждом ПЭ отрезок коаксиального фидера, с помощью которого излучатели подключены к фидерному тракту, уложен вдоль продольной оси одного из излучателей.

При такой схеме как в н.ч., так и в в.ч. поддиапазонах обеспечивается близкое к равномерному распределение амплитуд тока, чем достигается наибольший, при заданном количестве ПЭ, коэффициент усиления ФАР в целом.

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

Также в 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 поясняются чертежами, на которых показаны:
на фиг.1 - общая схема ПФАР;
на фиг.2 - схема плоского элемента;
на фиг.3, 4 - варианты построения фидерного тракта;
на фиг.5 - рисунки, поясняющие принцип работы;
на фиг.6 - результаты экспериментальных измерений КБВ;
на фиг.7 - расчетные ДН ПФАР.

Заявленная подземная фазированная антенная решетка, показанная на фиг.1, состоит из группы плоских элементов (1). В приведенном на фиг.1 варианте число ПЭ 1 вдоль одной прямой равно четырем (N=4). ПЭ 1 расположены вдоль двух параллельных прямых о-о' и с-с', т.е. в данном примере число прямых n равно 2 (n= 2). Каждый ПЭ 1 состоит из пары излучателей 2 (на фиг.1 - заштрихованы). Длина каждого излучателя 2 равна l. На фиг.1 ПЭ 1, размещенные вдоль прямой о-о', обозначены: А₂, А₄, А₆, А₈; на прямой с-с' - A₁, А₃, А₅, А₇. Излучатели 2 выполнены в форме равностороннего треугольника, симметрично установленного относительно прямой, на которой расположен ПЭ 1, а одна из его вершин примыкает к центру ПЭ 1. Внешние концы излучателей 2 каждого из ПЭ 1 электрически соединены друг с другом к.з. проводниками 3. К.з. проводники 3 изогнуты таким образом, что совместно с внешними концами (основаниями треугольников) излучателей 2 образуют контур ПЭ 1 в форме правильного шестиугольника (см. также фиг.2).

В общем случае число параллельных прямых, вдоль которых могут быть размещены ПЭ 1, может быть n=2,3...

ПЭ 1, размещенные вдоль примыкающих параллельных прямых (на фиг. 1 вдоль прямых о-о' и с-с'), смещены друг относительно друга вдоль этих прямых на расстояние, равное длине излучателя l. Расстояние d между параллельными прямыми выбрано таким образом, чтобы к.з. проводники 3 ПЭ 1, расположенных вдоль этих прямых, были совмещены и электрически соединены между собой. Конструктивно это означает, что, например, к.з. проводник ПЭ 1 А₂ одновременно является частью к.з. проводников ПЭ 1 A₁ и А₃. К.з. проводник ПЭ 1 А₄ является частью к.з. проводников ПЭ 1 А₃ и А₅ и т.д. Из геометрии ПЭ 1 следует, что
Излучатели 2 в каждом ПЭ 1 с помощью отрезка 4 коаксиального фидера подключены к соответствующему входу фидерного тракта. Отрезок 4 коаксиального фидера в центре ПЭ 1 подключен (см. фиг.2а) центральным проводником к одному излучателю (точка "в'"), а экранной оболочной - к другому (точка "в") и уложен вдоль оси симметрии одного излучателя. Затем отрезки 4 коаксиальных фидеров двух примыкающих друг к другу ПЭ 1, лежащих вдоль прямых о-о' и с-с' (например, A₁ и А₂, А₃ и А₄, А₅ и A₆, и т.д.), уложены вдоль кромок ПЭ 1 навстречу друг другу и подключены к соответствующему тройниковому переходу T₁, Т₂, Т₃ и т.д. Длину l излучателей 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≥0,02λ_max, где λ_max- максимальная длина волны рабочего диапазона волн. Излучатели 2 могут быть выполнены в виде сплошных металлических пластин (фиг.2а), или в виде радиально расходящихся от точек в, в' металлических проводников (фиг.2б).

Один из возможных вариантов построения фидерного тракта, при котором обеспечивается равноамплитудное возбуждение излучателей 2 всех ПЭ 1 и их фазирование вдоль продольной оси ПФАР (оси о-о', с-с'), показан на фиг.4.

Излучатели 2 четных ПЭ 1 (А₂, А₄, А₆ и т.д.) подключены к фидерному тракту отрезками 4 коаксиального фидера длиной l₂. Соответственно излучатели нечетных ПЭ 1 (A₁, А₃, А₅ и т.д.) - отрезками 4 длиной l₁. Разность длин этих отрезков Δl = l₁-l₂ обеспечивает фазирование двух примыкающих друг к другу ПЭ 1 A₁-A₂, А₃-А₄ и т.д.

Фазирование пар А₁-А₂ и А₃-А₄ и аналогично пар А₅-А₆ и А₇-А₈ достигается фазирующими вставками ФВ₁ длиной Соответственно фазирование четверок излучателей А₁-А₂-А₃-А₄ и A₅-A₆-A₇-A₈ обеспечивается фазирующей вставкой
Фазирующие вставки и а также отрезки 4 коаксиального фидера l₁ и l₂ выполнены из коаксиального фидера с волновым сопротивлением ρ_Ф= 75 Ом. Для достижения согласования между включенными в параллель отрезками 4 и фазирующими вставками, а также между фазирующими вставками длиной и включены кабельные трансформаторы (Тр) длиной l_mp, которые выполнены из коаксиального фидера с волновым сопротивлением ρ_Ф= 50 Ом.

Подключение соответствующих отрезков коаксиального кабеля может быть осуществлено с помощью тройниковых (Т) и двойниковых (Д) переходов. Длины отрезков l₁, l₂, , выбирают из условия синфазного сложения полей, излученных всеми ПЭ 1, в направлении вдоль осей о-о' (с-с') эти условия реализуются при:
l₁-l₂=l;


,
где диэлектрическая проницаемость наполнителя коаксиального кабеля, λ_cp- средняя длина волны рабочего диапазона волн.

Конструктивно фазирующие вставки и кабельные трансформаторы могут быть уложены вдоль кромок примыкающих ПЭ 1 под плоскостью размещения ПЭ 1 (см. фиг.3). Выход фидерного тракта (тройниковый переход Т₇ на фиг.3, 4) соединен с коаксиальным фидером (Ф), в свою очередь подключенным к выходу радиостанции.

Заявленная ПФАР работает следующим образом.

При подключении всех излучателей 2 к фидерному тракту в центре каждого ПЭ 1 возбуждается ЭДС. Так как излучатели 2, принадлежащие примыкающим друг к другу ПЭ 1, электрически соединены вдоль кромок своих внешних концов, то этим достигается распределенное возбуждение апертуры. На фиг.5а показана схема эквивалентного излучателя, образованного ПЭ 1, размещенными вдоль одной прямой. Из приведенных эпюр распределения амплитуд тока видно, что при распределенном возбуждении реализуется близкое к равноамплитудному возбуждение эквивалентного излучателя. Т.е. его действующая длина фактически равна его физической длине, что указывает на возможность реализации в данных условиях максимально возможной эффективности ПФАР. Причем такая возможность имеет место как в н.ч., так и в.ч. поддиапазонах. На фиг. 4б приведены эпюры распределения амплитуд тока в в.ч. поддиапазоне для прототипа, из которых следует вывод о нерациональном использовании апертуры и, следовательно, меньшей эффективности ФАР в целом.

Диапазонность по согласованию обусловлена выбором геометрии плоских элементов, каждый из которых представляет собой самодополнительную структуру. Предложенная схема размещения ПЭ 1 при возможности увеличения эффективности, одновременно обеспечивает минимизацию площади апертуры, что упрощает конструкцию и себестоимость ее изготовления.

Проверка возможности достижения сформулированного технического результата проверялась на опытном образце заявленного устройства, предназначенного для работы в частотном диапазоне, начиная с минимальной частоты - 2 МГц, т. е. λ_max= 150 м, λ_cp= 28 м.

ПФАР была выполнена из двух линеек ПЭ 1, т.е. n=2, по 8 излучателей в каждой, т. е. N=8. Контур каждого из ПЭ 1 выполнен из стального уголка 32х4 мм. Излучатели были выполнены из радиально расходящихся от точек подключения (точек в-в') пяти стальных прутков диаметром 10 мм. Размеры элементов конструкции составили (м): l=3; d=5,2; l₁=7,7; l₂=4,7; 6; 12; l_mp= 4,6; l_mp выполнен из отрезка кабеля РК-50 ( 2,3), остальные отрезки из кабеля РК-75.

Представленные на фиг. 6 результаты измерения качества согласования (коэффициента бегущей волны - КБВ) подтверждают возможность обеспечения во всем рабочем диапазоне КБВ≥0,4.

Показанные на фиг. 7 расчетные диаграммы направленности (ДН) в вертикальной (фиг. 7а) и горизонтальной (фиг.7б) плоскостях указывают на возможность фазирования в заданном направлении (вдоль оси ПФАР) всех ПЭ 1, т.е. реализации максимально возможного КУ при заданных значениях n и N.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиосвязи или мониторинга электромагнитной обстановки. Техническим результатом изобретения является снижение площади, необходимой для установки подземной фазированной антенной решетки (ПФАР), и повышение коэффициента усиления. ПФАР выполнена в виде группы плоских элементов (ПЭ), установленных компланарно в пределах или на поверхности полупроводящей среды. Каждый ПЭ содержит пару излучателей, выполненных в форме равносторонних треугольников. Внешние концы излучателей соединены между собой короткозамкнутыми (к.з.) проводниками. ПЭ размещены вдоль параллельных прямых. К.з. проводники примыкающих ПЭ, установленных вдоль примыкающих прямых, совмещены и смещены друг относительно друга на длину излучателя. В центре каждого ПЭ излучатели отрезками кабеля подключены к фидерному тракту. 7 ил.

Подземная фазированная антенная решетка, содержащая группу плоских элементов, установленных компланарно в пределах полупроводящей среды или на ее поверхности, в которой каждый плоский элемент содержит пару излучателей, в форме равностороннего треугольника, симметрично установленного относительно прямой, на которой установлен плоский элемент, а одна из его вершин примыкает к центру плоского элемента, основания треугольников, являющиеся внешними концами излучателей, соединены друг с другом короткозамкнутыми проводниками, которые изогнуты таким образом, что совместно с основаниями треугольников, являющихся внешними концами излучателей, образуют контур плоского элемента в форме правильного шестиугольника, а концы излучателей в центре плоских элементов подключены к фидерному тракту, отличающаяся тем, что плоские элементы размещены вдоль n параллельных прямых, где n= 2,3, . . . , а продольные оси излучателей плоских элементов ориентированы вдоль этих прямых, основания треугольников, являющиеся внешними концами излучателей, принадлежащих примыкающим друг к другу плоским элементам, размещенным вдоль одной прямой, электрически соединены между собой, плоские элементы, размещенные вдоль примыкающих параллельных прямых, смещены вдоль этих прямых друг относительно друга на расстояние, равное длине одного излучателя, а короткозамкнутые проводники плоских элементов, размещенных вдоль примыкающих прямых, совмещены и электрически соединены между собой, причем в каждом плоском элементе отрезок коаксиального фидера, с помощью которого подключены излучатели этого плоского элемента к фидерному тракту, уложен вдоль продольной оси одного из излучателей.