СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК H01Q21/24 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к сверхширокополосным антеннам круговой поляризации, и может найти применение в системах радиосвязи и радиолокации.

Известны различные типы антенн круговой поляризации. Общий недостаток этих антенн, заключающийся в узкополосности, определяется частотной зависимостью временного сдвига ортогонально поляризованных составляющих сигнала.

Наиболее близким по технической сущности техническим решением - прототипом является сверхширокополосная антенна круговой поляризации (В. Рамзей. Частотно-независимые антенны. Пер. с англ. А.П. Сахарова под ред. А.Ф. Чаплина. - М.: Мир, 1968, с.54-63), содержащая конический равноугольный излучатель, выполненный в виде двух металлических полосок, расположенных на поверхности конуса, и образующих равноугольную двухзаходную спираль. Излучение сигнала в такой антенне происходит в направлении вершины спирали, расположенной в вершине конуса. Интенсивное излучение происходит из активной области, которая расположена между витками спирали, длина которых составляет λ/2 и λ-d, где λ - длина волны излучения, d - шаг спирали. Таким образом, минимальная длина волны излучения определяется длиной витка спирали у вершины конуса, а максимальная - длиной витка у основания конуса.

Недостатками известного технического решения являются:
- невозможность излучения антенной сверхширокополосного сигнала в виде кодированной последовательности сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности. При поступлении последовательности таких импульсов на вход антенны, расположенный в вершине спирали, происходит спектральное разложение импульсов активными областями, в результате чего они "расползаются" в пространстве и увеличивают свою длительность;
- невозможность формирования в известной антенне решетки излучателей. Поскольку излучение высокочастотной части спектра импульса будет производиться в такой антенне сильно разреженной решеткой, то диаграмма направленности будет иметь значительный уровень боковых лепестков и многолепестковую структуру. Низкочастотная часть спектра импульса будет излучаться в пространство в виде однолепестковой диаграммы. В результате волновой пакет импульса будет дробиться в пространстве в широком угловом секторе и растягиваться по расстоянию.

Таким образом, известная сверхширокополосная антенна круговой поляризации не обеспечивает излучение и прием сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности в заданном секторе угловых направлений и с заданной длительностью.

Изобретение направлено на создание сверхширокополосной антенны круговой поляризации, обеспечивающей излучение и прием сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности, способной:
- работать в режиме излучения и формировать в пространстве сверхкороткий импульс круговой поляризации, распространяющийся в заданном секторе угловых направлений с сохранением его длительности;
- принимать с заданного направления сверхкороткий импульс круговой поляризации и передавать его в фидерную линию, сохраняя неизменной его длительность;
- формировать антенные решетки излучателей практически любой протяженности и конфигурации, формирующие диаграммы направленности заданной формы.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Заявляемая сверхширокополосная антенна круговой поляризации, содержащая, так же как и прототип, конический равноугольный излучатель, в отличие от прототипа содержит по крайней мере еще три или более конических равноугольных излучателей, выполненных в виде рупоров и пространственно объединенных в группы излучателей по четыре рупора так, что в каждой группе излучателей плоскости поляризации первой пары рупоров расположены в горизонтальной плоскости, а плоскости поляризации второй пары рупоров - в вертикальной плоскости, причем количество групп излучателей N определено соотношением N= 4^n-1, где n - количество уровней деления сигнала, при этом каждая группа излучателей соединена с делителем сигнала первого уровня так, что первый и второй выходы делителя сигнала первого уровня соединены с первой парой рупоров непосредственно, третий и четвертый выходы делителя сигнала первого уровня соединены со второй парой рупоров через соответствующие линии задержки, а вход делителя сигнала первого уровня соединен с одним из выходов делителя сигнала второго уровня, причем количество делителей сигнала каждого более высокого уровня меньше в четыре раза количества делителей сигнала предыдущего уровня, а вход делителя n-ого уровня является входом антенны.

Делитель сигнала первого уровня деления, построенный по бинарной схеме и подключенный к группе излучателей из четырех рупоров, образует на каждом ветвлении сигнала на два направления параллельное соединение фидерных линий, причем волновое сопротивление линий на каждом ветвлении удваивается, что позволяет согласовать входную фидерную линию с волновым сопротивлением 50 Ом с волновым сопротивлением конических равноугольных рупоров в сверхширокой полосе частот, при этом обеспечивается неискаженное излучение и прием сверхкороткого импульса.

Формирование антенных решеток излучателей любой протяженности и конфигурации осуществляется путем добавления и соответствующего размещения групп излучателей из четырех рупоров, питаемых делителями сигнала первого уровня деления, при этом входы делителей сигнала первого уровня деления подключаются к выходам делителей сигнала второго и более высоких уровней деления сигнала Делители сигнала второго и более высоких уровней деления сигнала построены по бинарной схеме так, что пары выходных фидерных линий подключены последовательно к фидерным линиям с удвоенным, по сравнению с выходным, волновым сопротивлением, а фидерные линии с удвоенным волновым сопротивлением подключены параллельно ко входной линии с волновым сопротивлением 50 Ом. Такое построение антенны обеспечивает входное сопротивление делителя, равное 50 Ом, а также выходные сопротивления делителя, равные 50 Ом в сверхширокой полосе частот, что обеспечивает неискаженную передачу сверхкороткого импульса со входа делителя на его выход при излучении и с выхода делителя на его вход - при приеме сверхкороткого импульса. Таким образом на каждом уровне деления сигнала количество делителей сигнала уменьшается в четыре раза и на последнем (n-ом) уровне деления сигнала остается только один делитель, вход которого является входом антенны.

Такое включение фидерных линий обеспечивает сверхширокополосное согласование входа антенны и неискаженную передачу сверхкороткого импульса к раскрыву антенны, образованному группами излучателей из четырех рупоров, при излучении и от раскрыва антенны ко входу антенны - при приеме. Поскольку в излучении импульса участвует весь раскрыв антенны, то в пространстве формируется сверхкороткий импульс субнаносекундной длительности, распространяющийся в тем более узком угловом секторе, чем больше количество групп излучателей из четырех рупоров и соответственно размер раскрыва антенны.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена сверхширокополосная антенна круговой поляризации, состоящая из N-групп излучателей по четыре рупора в каждой группе; на фиг.2 - сверхширокополосная антенна круговой поляризации, состоящая из одной группы излучателей из четырех рупоров; на фиг. 3 - делитель сигнала первого уровня для подключения одной группы излучателей из четырех рупоров; на фиг.4 - пример раскрыва антенны круговой поляризации, состоящей из четырех групп излучателей по четыре рупора в каждой группе (шестнадцать рупоров); на фиг.5 - делитель сигнала для подключения четырех групп излучателей по четыре рупора в каждой группе; на фиг. 6 - осциллограммы сигналов, показывающих процесс формирования сверхкороткого импульса круговой поляризации.

Сверхширокополосная антенна круговой поляризации (см. фиг.1) содержит по крайней мере четыре или более конических равноугольных излучателей, выполненных в виде рупоров и пространственно объединенных в группы излучателей по четыре рупора так, что в каждой группе излучателей плоскости поляризации первой пары рупоров 1 и 2 расположены в горизонтальной плоскости, а плоскости поляризации второй пары рупоров 3 и 4 - в вертикальной плоскости, причем количество групп излучателей N определено соотношением N=4^n-1, где n - количество уровней деления сигнала. При этом каждая группа излучателей соединена с делителем сигнала первого уровня 5 так, что первый и второй выходы делителя 5 соединены с первой парой рупоров 1 и 2 непосредственно, третий и четвертый выходы делителя 5 соединены со второй парой рупоров 3 и 4 через соответствующие линии задержки 6, а вход 7 делителя 5 соединен с одним из выходов делителя сигналов второго уровня 8, причем количество делителей сигнала каждого более высокого уровня меньше в четыре раза количества делителей сигнала предыдущего уровня, а вход делителя n-ого уровня является входом антенны.

Сверхширокополосная антенна круговой поляризации, состоящая из одной группы пространственно объединенных излучателей из четырех рупоров (см. фиг. 2), содержит конические равноугольные рупоры 1 и 2, формирующие поле горизонтальной поляризации, а также конические равноугольные рупоры 3 и 4, формирующие поле вертикальной поляризации, подключенные к делителю сигнала первого уровня 5 со входом 7 (коаксиальный высокочастотный разъем). На виде А штриховыми линиями показаны силовые линии электрического поля, формируемого рупорами 1, 2, 3 и 4.

В делителе сигнала первого уровня 5 (см. фиг.3) коаксиальный вход 7 с волновым сопротивлением 50 Ом подключен параллельно к двум двухпроводным фидерным линиям 10 с волновым сопротивлением 100 Ом. Каждая линия 10 подключена к двум двухпроводным фидерным линиям 11 с волновым сопротивлением 200 Ом. Первые два выхода делителя 5 подключены ко входам рупоров 1 и 2 непосредственно, а два других выхода делителя 5 подключены ко входам рупоров 3 и 4 через линии задержки 6.

На фиг.4 показан пример раскрыва антенны круговой поляризации, состоящей из шестнадцати рупоров, составленной из четырех групп рупоров по четыре рупора в каждой группе, где штриховкой показана отдельная группа из четырех рупоров 1-4. Остальные три группы из рупоров 1 - 4 пространственно объединены с первой группой рупоров.

На фиг.5 показана схема делителя сигнала 8 для подключения четырех групп излучателей по четыре рупора в каждой группе к одному входу делителя 8 с волновым сопротивлением 50 Ом. Фидерные линии 12 с волновым сопротивлением 50 Ом на выходах делителя подключены последовательно к фидерным линиям 13 с волновым сопротивлением 100 Ом, образуя делитель на два направления, а фидерные линии 13 с волновым сопротивлением 100 Ом подключены параллельно ко входной линии с волновым сопротивлением 50 Ом, образуя делитель на два направления.

На осциллограммах сигналов, показывающих процесс формирования сверхкороткого импульса (фиг.6), показано напряжение на входе 7 коаксиального высокочастотного разъема, подключенного ко входу делителя сигнала первого уровня 5, как функция времени (фиг.6 а); показана напряженность электрического поля, излучаемого горизонтально поляризованными рупорами, как функция времени (фиг.6 б); показана напряженность электрического поля, излучаемого вертикально поляризованными рупорами, как функция времени ( фиг.6 в); показана амплитуда напряженности суммарного вектора электрического поля, излучаемого антенной, как функция времени (фиг.6 г); показана зависимость от времени угла поворота Θ суммарного вектора электрического поля относительно горизонтальной плоскости (фиг.6 д).

Сверхширокополосная антенна круговой поляризации работает следующим образом.

На вход 7 делителя сигнала первого уровня 5 поступает импульс напряжения (фиг.6 а):
U = U_M/2(1-cos2πt/τ_u), при 0≤t≤τ_u, (1)
где U_М - амплитуда импульса;
τ_u - длительность импульса;
t - время.

Импульс (1) разветвляется поровну и без отражения на два направления в делителе 5 в фидерные линии 10 с волновым сопротивлением 100 Ом, включенных параллельно входной фидерной линии с волновым сопротивлением 50 Ом. Затем первая линия 10 с волновым сопротивлением 100 Ом разветвляет без отражения сигнал в две фидерные линии 11 с волновым сопротивлением 200 Ом поровну с помощью параллельно включенных фидерных линий 11. Вторая линия 10 с волновым сопротивлением 100 Ом разветвляет без отражения сигнал в две другие линии 11 с волновым сопротивлением 200 Ом поровну. Сигналы с выходов линий 11 с волновым сопротивлением 200 Ом поступают на входы рупоров 1 и 2 (при этом коэффициент отражения от входа рупоров не превышает 30 дБ) и излучаются ими в свободное пространство, образуя в пространстве горизонтально поляризованный импульс ( фиг.6 б):

где - единичный вектор, параллельный оси у декартовой системы координат;
Е_м - амплитуда напряженности электрического поля.

Сигналы с выходов двух других линий 11 с волновым сопротивлением 200 Ом поступают через линии задержки 6 длиной 1, равной:
l=V_uτ_u/4,
где V_u - скорость распространения импульса в линии задержки 6.

При этом этот импульс задерживается на время, равное 1/4 τ_u. Задержанные на 1/4 τ_u сигналы с выходов линий задержки 6 поступают на входы рупоров 3 и 4 и излучаются ими в свободное пространство, образуя в пространстве вертикально поляризованный импульс (см. фиг.6 в):

где - единичный вектор, параллельный оси х декартовой системы координат.

Интерференция в пространстве двух импульсов (2) и (4) формирует сверхкороткий импульс круговой поляризации, амплитуда (см. фиг.6 г) постоянна
|E_Σ| = E_м, при τ_u/4≤t≤τ_u. (5)
Угол ориентации Θ плоскости поляризации (фиг.6 д) линейно изменяется во времени от 0 до 270^o:
Θ = 360^°t/τ_u-90^° при τ_u/4≤t≤τ_u. (6)
Если размер раскрыва L_E пары рупоров в Е-плоскости ( фиг.2) выбрать равной L_E=τ_u•C (где С - скорость света), то сохраняется круговая поляризация излучаемого импульса в пределах главного лепестка диаграммы направленности, ширина которого по уровню половинной мощности излучения будет равна ~50^o.

Для формирования импульса круговой поляризации в заданном секторе угловых направлений необходимо увеличивать количество групп излучателей из четырех рупоров в антенне.

В общем случае количество групп излучателей из четырех рупоров в антенне выбирается в соответствии с соотношением
N=4^n-1,
где n - количество уровней деления сигнала.

На фиг. 4 показан пример раскрыва антенны из шестнадцати рупоров, образованной четырьмя группами излучателей по четыре рупора в каждой группе. Для возбуждения такой антенны четыре входа 7 четырех групп излучателей по четыре рупора в каждой группе подключаются к делителю 8, изображенному на фиг.5. В делителе 8 сигнал со входа поступает во входную фидерную линию с волновым сопротивлением 50 Ом и делится поровну без отражения в две фидерные линии 13 с волновым сопротивлением 100 Ом. При этом линии 13 с волновым сопротивлением 100 Ом подключаются параллельно входной линии с волновым сопротивлением 50 Ом. Далее сигналы из фидерных линий 13 с волновым сопротивлением 100 Ом делятся поровну без отражения в фидерные линии 12 с волновым сопротивлением 50 Ом. При этом выходные фидерные линии 12 с волновым сопротивлением 50 Ом попарно подключаются последовательно к линиям 13 с волновым сопротивлением 100 Ом.

Такое решение построения антенны позволяет без отражений передавать сверхкороткий импульс от входа антенны к раскрыву антенны при излучении и от раскрыва антенны ко входу антенны при приеме, что обеспечивает высокий коэффициент полезного действия антенны круговой поляризации и не растягивает импульс при излучении и приеме. В общем случае при N=4^n-1 групп излучателей по четыре рупора в каждой группе (см. фиг.1) на первом уровне деления сигнала включаются N=4^n-1 делителей 5 первого уровня. Делители сигнала 8 на втором и более высоких уровнях деления до n-ого включительно передают импульс (1) со входа антенны на входы 7 делителей 5 первого уровня при излучении и со входа 7 делителей 5 на вход антенны при приеме без искажения формы сигнала.

Изобретение может найти применение в системах радиосвязи и радиолокации и позволяет создать сверхширокополосную антенну круговой поляризации, обеспечивающую излучение и прием сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности. Сверхширокополосная антенна круговой поляризации содержит по крайней мере четыре или более конических равноугольных излучателей, выполненных в виде рупоров и пространственно объединенных в группы излучателей по четыре рупора так, что в каждой группе излучателей плоскости поляризации первой пары рупоров расположены в горизонтальной плоскости, а плоскости поляризации второй пары рупоров - в вертикальной плоскости. Количество групп излучателей N определено соотношением М=4^n-1, где n - количество уровней деления сигнала. Каждая группа излучателей соединена с делителем сигнала первого уровня так, что первый и второй выходы делителя сигнала первого уровня соединены с первой парой рупоров непосредственно, третий и четвертый выходы делителя сигнала первого уровня соединены со второй парой рупоров через соответствующие линии задержки, а вход делителя сигнала первого уровня соединен с одним из выходов делителя сигнала второго уровня. Количество делителей сигнала каждого более высокого уровня меньше в четыре раза количества делителей сигнала предыдущего уровня. Вход делителя сигнала n-го уровня является входом антенны. Техническим результатом является создание сверхширокополосной антенны круговой поляризации, обеспечивающей измерение и прием сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности. 6 ил.

Сверхширокополосная антенна круговой поляризации, содержащая конический равноугольный излучатель, отличающаяся тем, что она содержит по крайней мере еще три или более конических равноугольных излучателей, выполненных в виде рупоров и пространственно объединенных в группы излучателей по четыре рупора так, что в каждой группе излучателей плоскости поляризации первой пары рупоров расположены в горизонтальной плоскости, а плоскости поляризации второй пары рупоров - в вертикальной плоскости, причем количество групп излучателей N определено соотношением N=4^n-1, где n - количество уровней деления сигнала, при этом каждая группа излучателей соединена с делителем сигнала первого уровня так, что первый и второй выходы делителя сигнала первого уровня соединены с первой парой рупоров непосредственно, третий и четвертый выходы делителя сигнала первого уровня соединены со второй парой рупоров через соответствующие линии задержки, а вход делителя сигнала первого уровня соединен с одним из выходов делителя сигнала второго уровня, причем количество делителей сигнала каждого более высокого уровня меньше в четыре раза количества делителей сигнала предыдущего уровня, а вход делителя сигнала n-го уровня является входом антенны.