СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ И НАСТРОЙКИ СИНФАЗНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ИЗ РОМБОВИДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И АНТЕННО-ФИДЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах в качестве направленной антенны линейной поляризации и, в частности, в радиотехнических системах обеспечения посадки летательных аппаратов.

Радиотехнические системы обеспечения посадки летательных аппаратов состоят из наземных радиомаяков с передатчиками и апертурными антеннами и бортовых радиоэлектронных средств для определения пространственного положения летательного аппарата, азимутального и угломестного направления на соответствующие радиомаяки, дальности до них и выдерживания заданной траектории движения летательного аппарата при его посадке. Дальность действия таких систем при соответствующей точности определения параметров строго регламентирована и должна составлять, например, при определении положения летательного аппарата по отношению к установленной глиссаде снижения не менее 18 км, а при определении дальности до радиомаяка - не менее 45 км.

Однако радиопередатчики наземных радиомаяков работают на фоне излучений других радиоэлектронных средств, в том числе мощных базовых станций сотовой связи, функционирующих в совпадающих и смежных полосах частот и оказывающих непреднамеренные радиопомехи бортовым приемным радиоустройствам летательных аппаратов. Это существенно затрудняет прием бортовым оборудованием сигналов наземных радиомаяков, снижает точность определения пространственного положения летательных аппаратов и дальность действия радиотехнических систем обеспечения их посадки. В этих условиях важным становится решение задачи электромагнитной совместимости технических средств различного назначения, означающей способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам.

Действие помех может быть ослаблено увеличением мощности излучения наземных радионавигационных средств в пространственных секторах их действия путем увеличения коэффициента усиления антенн наземных радиомаяков. Необходимость снижения степени воздействия помех очевидна, поскольку от качества работы радиотехнических систем обеспечения посадки летательных аппаратов напрямую зависит безопасность воздушного движения: например, 53% всех авиационных происшествий происходит при выполнении заходов на посадку в сложных метеоусловиях, в основном, при ухудшении видимости [1].

Таким образом, решение задачи электромагнитной совместимости технических средств применительно к существующим радиотехническим системам обеспечения посадки летательных аппаратов в сущности сводится к модернизации антенн наземных радиомаяков, заключающейся в создании новой структуры и конструктивного исполнения апертурной антенны, которая обеспечивала бы реализацию максимально возможного для этой антенны коэффициента использования поверхности (КИП) при минимальных размерах излучающей апертуры, и за счет этого увеличить коэффициент усиления антенны и ослабить действие помех от излучений радиопередатчиков, работающих в совпадающих и смежных полосах частот.

В изобретении решается задача улучшения технико-экономических характеристик апертурных антенн поперечного излучения с линейной поляризацией излучаемого поля, используемых, в частности, в наземных радиомаяках радиотехнических систем обеспечения посадки летательных аппаратов, работающих на фоне излучений различных систем связи, создающих непреднамеренные помехи бортовым приемным радиоустройствам летательных аппаратов.

Известны антенны типа «двойной квадрат», представляющие собой вибраторный излучатель, выполненный из отрезков проводников зигзагообразной формы, замкнутых на концах и подключенных к питающему коаксиальному фидеру в общей паре точек питания (RU 93049272 А 05.10.1996). Отрезки проводника антенны выполняют функции излучателя, питающего фидера и запирающего стакана, снимающего антенный эффект фидера. Недостатком антенны является небольшой коэффициент направленного действия (КНД), определяемый малой эффективной площадью излучателя.

Известна также антенна в виде синфазной решетки, содержащая нечетное или четное общее количество ромбообразных секций, расположенных в одной плоскости, подсоединенных смежно в ряд друг к другу и выполненных из проводников, длина которых выбрана удовлетворяющей условию образования точек короткого замыкания в вершинах крайних в решетке ромбообразных секций (λ/4), причем в месте соединения двух ромбообразных секций между их проводниками выполнен зазор для подключения двухпроводного фидера питания, подсоединение остальных смежных друг к другу ромбообразных секций выполнено с перекрещиванием проводников между секциями, а углы ромбообразных секций, обращенные к продольной оси решетки, выполнены тупыми (RU 2199804 C2, 27.02.2003). Она также, как и заявленное антенно-фидерное устройство, содержит четное количество ромбообразных секций, расположенных в одной плоскости, подсоединенных смежно в ряд друг к другу и образующих синфазную антенную решетку, имеющую общую в зазоре в месте соединения двух ромбообразных секций пару точек питания. Ограничением этой антенны является недостаточно высокое, непропорциональное увеличению ее геометрической площади значение эффективной площади антенны.

Объясняется это тем, что увеличивая при наращивании количества ромбовидных элементов вертикальный размер излучающей апертуры антенны за счет выполнения углов ромбообразных секций, обращенных к продольной оси решетки, тупыми, тем самым уменьшаем поперечный размер излучающей апертуры антенны. Кроме того, некоторое уменьшение эффективной площади антенны при наращивании количества ромбообразных секций происходит из-за расходования энергии на излучение в секциях.

Из известных решений наиболее близкими по технической сущности к заявленному объекту являются способ возбуждения и настройки синфазной антенной решетки из ромбовидных элементов и антенно-фидерное устройство для его осуществления, опубликованные в статье Кудрявченко Н. «Эффективные зигзагообразные антенны». - В помощь радиолюбителю, 1992, №114, рис.3б, 5, 6.

Известный способ возбуждения и настройки синфазной антенной решетки из ромбовидных элементов включает возбуждение синфазных токов в проводниках ромбовидных элементов с разомкнутыми вблизи оси решетки концами сторон, расположенных в одной плоскости и подсоединенных смежно в ряд друг к другу упомянутыми концами сторон, в общей для решетки паре точек питания источником сигнала, расположенной симметрично относительно оси решетки в ее геометрической середине, причем возбуждение синфазных токов осуществляют посредством коаксиального фидера, проводники которого соединяют с проводниками упомянутых ромбовидных элементов в точках питания решетки источником сигнала, формирование распределения токов в проводниках ромбовидных элементов с образованием пучностей в середине сторон ромбовидных элементов и узлов на концах сторон.

Известное антенно-фидерное устройство содержит синфазную антенную решетку, выполненную из, по меньшей мере, четырех ромбовидных элементов с разомкнутыми вблизи оси решетки концами сторон, расположенных в одной плоскости и подсоединенных смежно в ряд друг к другу упомянутыми концами сторон, при этом углы α₁ между упомянутыми концами сторон выбраны из соотношения α₁≥90°, а длина сторон ромбовидных элементов выбрана удовлетворяющей условию образования узлов токов на концах сторон, причем в местах соединения ромбовидных элементов между их проводниками выполнены зазоры, расположенные поперек относительно продольной оси решетки в узлах токов на упомянутых концах сторон, один из которых расположен в геометрической середине решетки и предназначен для возбуждения источником сигнала синфазных токов в проводниках ромбовидных элементов в общей для решетки паре точек питания.

Известный способ и антенно-фидерное устройство для его осуществления имеют следующие ограничения к их применению: недостаточно высокий для реализации максимального усиления антенны КИП излучающей апертуры, так как ромбовидные элементы в известной синфазной антенной решетке выполняют одновременно функции питающего фидера и излучателей, что из-за потерь излучения ухудшает равномерность распределения токов на проводниках ромбовидных элементов; узкую полосу частот из-за последовательного и нарастающего по длине решетки смещения распределения токов на зигзагообразных проводниках антенны, которое происходит при изменении рабочей частоты (отклонении от резонансной) в питающем фидере, что приводит к ухудшению равномерности распределения и нарушению их синфазности в проводниках ромбовидных элементов антенной решетки, а также ухудшает согласование антенны с питающим фидером.

Технический результат для заявленного способа - улучшение равномерности распределения токов и обеспечение их синфазности в проводниках ромбовидных элементов антенной решетки при изменении рабочей частоты, а также улучшение согласования антенны с питающим фидером.

Технический результат, который может быть получен для антенно-фидерного устройства при его осуществлении - увеличение коэффициента использования поверхности излучающей апертуры синфазной антенной решетки из ромбовидных элементов. Дополнительный технический результат, который может быть получен при выполнении антенно-фидерного устройства - расширение рабочей полосы частот.

Для решения поставленной задачи с достижением указанных технических результатов в известном способе возбуждения и настройки синфазной антенной решетки из ромбовидных элементов, включающем возбуждение синфазных токов в проводниках ромбовидных элементов с разомкнутыми вблизи оси решетки концами сторон, в общей для решетки паре точек питания источником сигнала, расположенной симметрично относительно оси решетки в ее геометрической середине, причем возбуждение синфазных токов осуществляют посредством коаксиального фидера, проводники которого соединяют с проводниками упомянутых ромбовидных элементов в точках питания решетки источником сигнала, формирование распределения токов в проводниках ромбовидных элементов с образованием пучностей в середине сторон ромбовидных элементов и узлов на концах сторон, согласно изобретению в узлах токов, образованных в местах соединений разомкнутых концов сторон ромбовидных элементов, периодически прерывают прохождение токов от точек питания решетки в смежные пары ромбовидных элементов, при этом обесточенные пары упомянутых ромбовидных элементов образуют вместе с парой возбужденных в точках питания решетки ромбовидных элементов решетку излучателей, каждый из которых возбуждают в точках соединения ромбовидных элементов напряжением в пучности стоячей волны, формируемой в двухпроводной линии, присоединенной к излучателям решетки в упомянутых точках их возбуждения, путем закорачивания ее проводников с двух концов на расстояниях от точек возбуждения крайних излучателей решетки, удовлетворяющих условию параллельного резонанса в контуре, эквивалентном закороченному отрезку двухпроводной линии, при этом период следования прерываний прохождению токов в смежные пары ромбовидных элементов и период следования возбуждений излучателей решетки напряжением выбирают равным средней длине волны возбуждаемых в двухпроводной линии колебаний, выполняют резонансную настройку крайних излучателей решетки, при которой осуществляют согласование антенны с коаксиальным фидером и синфазное возбуждение излучателей решетки, выравнивают амплитуды токов в проводниках излучателей решетки, симметрируют токи в проводниках двухпроводной линии относительно возникших на ее концах точек нулевого потенциала.

Возможны дополнительные варианты осуществления способа, в которых целесообразно, чтобы:

- возбуждение синфазных токов осуществляли бы посредством коаксиального фидера, проводники которого соединяли бы с проводниками двухпроводной линии на ее верхнем или нижнем конце, а резонансную настройку излучателей решетки выполняли бы на соответственно нижнем или верхнем конце двухпроводной линии;

- возбуждение синфазных токов осуществляли бы посредством коаксиального фидера, проводники которого соединяли бы с проводниками двухпроводной линии в месте прерывания прохождению токов в смежные пары ромбовидных элементов в геометрической середине решетки.

Реализация антенно-фидерным устройством предложенного способа обеспечивается тем, что в известном антенно-фидерном устройстве, содержащем синфазную антенную решетку, выполненную из, по меньшей мере, четырех ромбовидных элементов с разомкнутыми вблизи оси решетки концами сторон, расположенных в одной плоскости и подсоединенных смежно в ряд друг к другу упомянутыми концами сторон, при этом углы α₁ между упомянутыми концами сторон выбраны из соотношения α₁≥90°, а длина сторон ромбовидных элементов выбрана удовлетворяющей условию образования узлов токов на концах сторон, причем в местах соединения ромбовидных элементов между их проводниками выполнены зазоры, расположенные поперек относительно продольной оси решетки в узлах токов на упомянутых концах сторон, один из которых расположен в геометрической середине решетки и предназначен для возбуждения источником сигнала синфазных токов в проводниках ромбовидных элементов в общей для решетки паре точек питания, согласно изобретению углы α₁ между разомкнутыми концами сторон ромбовидных элементов, углы α₂ ромбовидных элементов, обращенные к продольной оси решетки и углы α₃, направленные от нее, выбраны равными α₁=126°, α=58° и α=54°, в местах соединения разомкнутых концов сторон ромбовидных элементов, расположенных противоположно относительно общей для решетки паре точек питания выполнены разрывы проводников ромбовидных элементов с образованием зазоров между ними, которые периодически повторяются и образуют решетку излучателей в виде пар ромбовидных элементов, в антенную решетку введена двухпроводная линия, выполненная из двух трубок диаметром 2r, расположенных в зазорах ромбовидных элементов параллельно друг другу и продольной оси решетки на расстоянии S<2r друг от друга и короткозамкнутых между собой на концах, в середине между короткозамкнутыми концами двух трубок в стенке одной из них выполнено отверстие, в полости этой трубки со стороны верхнего или нижнего излучателя решетки до отверстия проложен коаксиальный фидер, наружный проводник которого подсоединен к трубке по периметру отверстия, а центральный проводник выведен из отверстия и подсоединен к другой трубке, причем подсоединение проводников коаксиального фидера к трубчатым проводникам двухпроводной линии выполнено в вершинах углов α₃ ромбовидных элементов центрального излучателя решетки, а остальные излучатели решетки соединены в зазорах в местах соединения двух ромбовидных элементов с трубчатыми проводниками двухпроводной линии, при этом период следования разрывов проводников ромбовидных элементов и их соединений с трубчатыми проводниками двухпроводной линии выбран равным λ, длина l_ш отрезков двухпроводной линии от мест короткого замыкания трубок до точек соединения ромбовидных элементов крайних излучателей решетки с трубчатыми проводниками двухпроводной линии выбрана из соотношения 0,234λ≤l_ш≤0,266λ, а величина зазоров Δ в местах соединения ромбовидных элементов выбрана равной Δ=0,12λ, где λ - средняя длина волны возбуждаемых в двухпроводной линии колебаний, двухпроводная линия выполнена с возможностью изменения длины l_ш короткозамкнутых отрезков.

Возможны дополнительные варианты выполнения антенно-фидерного устройства, в которых целесообразно, чтобы:

- коаксиальный фидер был проложен в полости одной из трубок двухпроводной линии до ее нижнего или верхнего конца, наружный проводник коаксиального фидера был бы соединен соответственно с нижним или верхним концом этой трубки, центральный проводник коаксиального фидера был бы соединен соответственно с нижним или верхним концом другой трубки двухпроводной линии на расстоянии 0,234λ≤l_ш≤0,266λ от точек соединения друг с другом ромбовидных элементов соответственно нижнего или верхнего излучателя решетки, а трубки двухпроводной линии были бы короткозамкнуты между собой со стороны введения коаксиального фидера в полость трубки на расстоянии l_ш, которое аналогично упомянутому;

- общее количество пар ромбовидных элементов решетки было выбрано нечетным;

- общее количество пар ромбовидных элементов решетки было выбрано четным, а отверстие в стенке одной из трубок двухпроводной линии было бы выполнено в месте разрыва проводников ромбовидных элементов в геометрической середине решетки;

- был введен плоский экран, расположенный параллельно плоскости расположения ромбовидных элементов, при этом плоский экран был бы выполнен прямоугольным, его длина не меньше расстояния между разомкнутыми концами сторон ромбовидных элементов крайних излучателей решетки, ширина экрана выбрана большей, чем 0,9λ, причем расстояние h между плоскостью экрана и плоскостью расположения ромбовидных элементов было выбрано удовлетворяющим условию .

На фиг.1 представлена структурная схема заявленной синфазной антенной решетки с числом пар ромбовидных элементов, равным трем; на фиг.2 - структурная схема варианта выполнения синфазной антенной решетки, в котором возбуждение ромбовидных элементов решетки осуществляется со стороны нижнего конца двухпроводной линии; на фиг.3 показаны распределение токов в проводниках ромбовидных элементов излучателей решетки при резонансной настройке на средней длине волны λ и поляризация поля вектора Е излучаемой волны; на фиг.4 - структурная схема варианта выполнения антенной решетки из двух пар ромбовидных элементов, в котором возбуждение ромбовидных элементов выполнено в середине антенной решетки в месте разрыва проводников ромбовидных элементов; на фиг.5 - то же, что фиг.1, с плоским экраном; фиг.6 - то же, что фиг.4, с плоским экраном; на фиг.7 и 8 показаны частотные зависимости КСВн и уровней мощности сигналов, принимаемых антенными решетками соответственно фиг.5 и фиг.6 в режиме измерения проходных параметров измерителем коэффициентов передачи.

Так как способ возбуждения и настройки синфазной антенной решетки из ромбовидных элементов реализуется при работе антенно-фидерного устройства, то он будет изложен в разделе описания его работы.

Антенно-фидерное устройство (фиг.1) содержит шесть ромбовидных элементов 1 с разомкнутыми вблизи оси решетки концами сторон 2. Ромбовидные элементы 1 расположены в одной плоскости и подсоединены смежно в ряд друг к другу попарно проводниками сторон 2. Длина l_э сторон 2 ромбовидных элементов 1 выбрана удовлетворяющей условию образования узлов токов на концах сторон. Для этого l_э выбрана из соотношения 0,47λ≤l_э≤0,51λ. Подсоединения ромбовидных элементов в ряд друг к другу с образованием излучателей 3 решетки выполнены с зазорами 4, величина которых Δ выбрана равной Δ=0,12λ. Один из зазоров 4, который расположен в геометрической середине решетки, предназначен для возбуждения синфазных токов в проводниках сторон 2 ромбовидных элементов 1 в общей паре точек 5 питания источником сигнала. Углы α₁, α₂ ромбовидных элементов 1 и угол α₃ между ромбовидными элементами 1 излучателей 3 решетки выбраны равными α₁=126°, α₂=58° и α₄=54°. Излучатели 3 расположены вдоль оси 7 решетки с зазорами 8 между разрывами 6 проводников 2 и следуют шагом d=λ. Введена двухпроводная линия 9, выполненная из двух трубок 10 и 11 диаметром 2r, расположенных в зазорах 4 параллельно друг другу и оси 7 решетки на расстоянии S<2r друг от друга.

В отличии от прототипа в заявленном устройстве в местах соединения ромбовидных элементов 1, расположенных противоположно относительно возбуждаемого зазора 4, выполнены разрывы 6 проводников сторон 2 ромбовидных элементов 1, которые повторяются с периодом Р=λ и образуют решетку излучателей 3 в виде пар ромбовидных элементов 1. Этим достигнуто разделение функций излучателей 3 решетки и фидерной линии 9. Трубки 10 и 11 короткозамкнуты между собой на концах двухпроводной линии 9 с помощью перемычек 12.

В середине между перемычками 12 в стенке трубки 11 выполнено отверстие 13, в полости трубки 11 со стороны верхнего излучателя 3 решетки до отверстия 13 проложен коаксиальный фидер 14. Наружный проводник 15 коаксиального фидера 14 подсоединен к трубке 11 по периметру отверстия 13, а центральный проводник 16 выведен из отверстия 13 и подсоединен к трубке 10. Центральный излучатель 3 решетки в точках 17 и 18 соединения двух ромбовидных элементов 1 соединен с двухпроводной линией 9 в точках 5, к которым подсоединены проводники 15 и 16 коаксиального фидера 14. Остальные излучатели 3 решетки (в данном случае два излучателя), следующие в обе стороны от центрального излучателя 3 решетки с шагом d=λ, также соединены с трубчатыми проводниками 10 и 11 двухпроводной линии 9 в зазорах 4 ромбовидных элементов 1.

Длина l_ш короткозамкнутых отрезков 19 двухпроводной линии 9 от точек 17, 18 подсоединения ромбовидных элементов 1 крайних излучателей 3 решетки друг к другу до перемычек 12 выбрана удовлетворяющей условию параллельного резонанса в контуре, эквивалентном закороченному отрезку двухпроводной линии. Для этого l_ш выбрана из соотношения 0,234λ≤l_ш≤0,266λ. Величина Δ зазоров 4 выбрана равной Δ=0,12λ, которой при 2r=0,05λ соответствует значение волнового сопротивления двухпроводной линии 9, равное 120 Ом. Двухпроводная линия 9 выполнена с возможностью изменения длины l_ш короткозамкнутых отрезков 19 в указанных пределах путем перемещения по проводникам 10, 11 перемычек 12.

Возбуждение антенной решетки коаксиальным фидером 14 со стороны верхнего конца двухпроводной линии позволяет укоротить фидерный тракт наземного радиомаяка, облегчить настройку и обслуживание антенны.

Если общее количество пар 3 ромбовидных элементов 1 излучателей решетки выбрано нечетным и равным трем (фиг.1), то образуется из этих излучателей апертурная антенна с максимальным для данной антенны значением КИП. Увеличение количества пар 3 ромбовидных элементов 1 позволяет увеличить коэффициент усиления антенны.

Если общее количество пар 3 ромбовидных элементов 1 излучателей решетки выбрано четным (фиг.4), а возбуждение ромбовидных элементов 1 выполнено в месте разрыва 6 проводников 2 ромбовидных элементов 1 в середине антенной решетки, то расширяется рабочая полоса частот антенны.

Введение в антенно-фидерные устройства фиг.1, 2, 4 плоского экрана 23 (показан на фиг.5, 6 только для вариантов устройства фиг.1 и 4), расположенного параллельно плоскости расположения ромбовидных элементов 1 на расстоянии от нее 0,18λ≤h≤0,25λ, позволяет увеличить коэффициенты усиления этих устройств примерно на 3 дБ. Плоский экран 23 выполнен прямоугольным. Его длина L не меньше расстояния A_n между разомкнутыми концами проводников 2 крайних ромбовидных элементов 1 антенной решетки. Ширина В экрана 23 выбрана большей, чем 0,9λ. Полотно антенны закреплено на диэлектрическом каркасе 24, который установлен с помощью диэлектрических стоек 25 на расстоянии h от экрана 23.

Предпочтительные пределы изменения геометрии заявленных антенно-фидерных устройств, показанных на фиг.1-6, полученные в результате моделирования на ЭВМ, следующие:

длина l_э сторон ромбовидных элементов 1 - 0,47λ≤l_э≤0,51λ;

длина l_ш отрезков 19 двухпроводной линии 9 от мест 12 короткого замыкания до точек 17, 18 подсоединения ромбовидных элементов 1 крайних излучателей 3 решетки друг к другу - 0,234≤l_ш≤0,266λ, такую же длину l_n имеет отрезок 20 двухпроводной линии 9 (фиг.2) от точек 21, 22 подключения проводников коаксиального фидера 14 к линии 9 до точек 17, 18 подключения нижнего или верхнего излучателя 3 решетки, величина Δ зазоров 4 в точках 17, 18 соединения пар 3 ромбовидных элементов 1 с трубчатыми проводниками 10, 11 двухпроводной линии 9 - Δ=0,12λ, a величине Δ_p зазоров 8 между проводниками 2 в месте их разрыва - 0,14λ≤Δ_p≤0,15λ, расстояние а между разрывами проводников 2 смежных ромбовидных элементов 1 - а=0,03λ;

величина зазора S между трубчатыми проводниками 10, 11 диаметром 2r=0,05λ двухпроводной линии 9 - 0,019λ;

углы α₁ и α₂ ромбовидных элементов - α₁=126°, α₂=58°;

угол α₃ между ромбовидными элементами 1 излучателей 3 решетки - α₃=54°;

расстояние h от плоского экрана 23 до плоскости расположения ромбовидных элементов 1 - 0,18λ≤h≤0,25λ.

Антенно-фидерное устройство в режиме передачи работает следующим образом. Энергия электромагнитных колебаний, генерируемых передатчиком, по коаксиальному фидеру 14 канализируется к общей паре точек 5 питания решетки источником сигнала, которые являются точками приложения ЭДС источника. Под воздействием ЭДС источника на трубчатых проводниках 10 и 11 двухпроводной линии 9 возникают токи, имеющие встречное направление. Поэтому двухпроводная линия 9 не излучает электромагнитные волны. Антенный эффект коаксиального фидера 14 также отсутствует, так как коаксиальный фидер 14 проложен внутри трубчатого проводника 11 двухпроводной линии 9 через точку ее нулевого потенциала по отношению к потенциалам в точках 5, возникающую в месте короткого замыкания линии 9 перемычкой 12. Двухпроводная линия закорочена с двух концов перемычками 12, вследствие чего в ней образуются сдвинутые на λ/4 стоячие волны тока и напряжения.

При выбранных длине l_ш=(0,234-0,266)λ короткозамкнутых отрезков 19 двухпроводной линии 9 и шаге d=λ решетки (фиг.1) в зазорах 4 излучателей 3 решетки оказываются пучности стоячей волны напряжения в двухпроводной линии 9. Вследствие этого, а также отсутствия излучения двухпроводной линией 9 при симметричном питании решетки обеспечивается равноамплитудное питание излучателей 3 решетки и улучшается равномерность распределения токов в их проводниках, что приводит к увеличению КИП излучающей апертуры решетки.

Благодаря разрывам 6 проводников 2 ромбовидных элементов 1 вблизи оси 7 решетки с образованием зазоров 4 и 8 и выбранной из соотношения 0,47λ≤l≤0,51λ длине l сторон проводников 2 ромбовидных элементов 1 при приложении к точкам 5 зазора 4 ЭДС источника на проводниках 2 образуется распределение токов с пучностями в середине сторон 2 и узлами на их концах и направлением протекания токов, как показано на фиг.3. Как видно из фиг.3, вертикальные составляющие токов I_в смежных проводников 2 ромбовидных элементов 1 излучателей 3 будут попарно противофазными. Поэтому их излучение в дальней зоне в значительной мере взаимно компенсируется. Горизонтальные составляющие токов I_r в смежных проводниках 2 оказываются синфазными и их излучение в дальней зоне суммируется с образованием преимущественно горизонтально поляризованного поля вектора Е. Вследствие симметричного возбуждения токов в проводниках 2 ромбовидных элементов 1 и излучения синфазных составляющих токов с горизонтальной ориентацией вектора Е увеличивается КИП излучающей апертуры решетки, что приводит к увеличению коэффициента усиления решетки. Так как по длине разомкнутых проводников 2 ромбовидных элементов 1 укладывается целое число полуволн тока (n=2), то возникает резонанс токов в эквивалентном им параллельном контуре. При этом реактивная составляющая входного сопротивления каждой пары 3 ромбовидных элементов 1 в точках 17, 18 их соединения теоретически равна нулю, а активная составляющая входного сопротивления R_вх в соответствии с известными зависимостями где d - диаметр проводника 2 ромбовидных элементов 1, равна . В точках 5 питания решетки, к которым подсоединены проводники 15, 16 коаксиального фидера 14, активная составляющая входного сопротивления R_вх, как следствие параллельного включения проводников 2 трех пар 3 ромбовидных элементов 1, находится в пределах R_вх=40-50 Ом.

Резонансная настройка проводников 2 крайних излучателей 3 решетки выполняется перемещением перемычек 12 в пределах l_ш=(0,234-0,266)λ. При этом автоматически осуществляются резонансная настройка и согласование с коаксиальным фидером 14 всех излучателей 3, следующих в решетке с шагом d=λ, их синфазное возбуждение с симметрированием и выравниванием амплитуд токов в проводниках излучателей 3.

При значениях l=0,5λ и l/d=31,6 в точках 5 питания решетки R_вх=50 Ом, что позволяет при непосредственном подсоединении к ним проводников 15, 16 коаксиального фидера 14 с волновым сопротивлением W_o=50 Ом выполнить условие R_вх=W_o и с учетом полученного в результате резонансной настройки Х_вх=0 согласовать входное сопротивление антенны с волновым сопротивлением коаксиального фидера в точках ее питания без использования согласующих трансформаторов. Кроме того, резонансная настройка излучателей 3 решетки позволяет выровнять амплитуду напряжений в точках 17, 18 возбуждения излучателей и, без использования симметрирующих устройств, отсимметрировать токи в проводниках 10, 11 двухпроводной линии 9, что является положительным для достижения заявленного технического результата, так как улучшает равномерность распределения токов в проводниках излучателей решетки.

За счет выполнения углов α₁=126°, α₂=58° и α₃=54° реализуется оптимальный шаг d=λ расположения излучателей 3 вдоль оси 7 решетки для получения максимального КНД, увеличивается эффективная площадь излучателей решетки при равномерном распределении тока в проводниках 2 излучателей решетки и обеспечении их синфазности, увеличивается КИП излучающей апертуры решетки.

Антенно-фидерное устройство (фиг.4) работает аналогично устройству фиг.1, однако, имеет более широкую рабочую полосу частот. Объясняется это тем, что при возбуждении ромбовидных элементов 1 в месте 8 разрыва их проводников 2 в середине антенной решетки из-за сильной взаимной связи смежных излучателей 3 в зазоре 4, в котором выполнено подсоединение проводников 15, 16 коаксиального фидера 14 к проводникам 10, 11 двухпроводной линии 9 и находится пучность стоячей волны напряжения в двухпроводной линии, частотная характеристика КСВн антенны на входе фидера 14 имеет два разнесенных по частоте резонансных минимума и один максимум между ними (см. фиг.8а) в отличие от резонансной характеристики КСВн (см. фиг.7а) устройства фиг.1 Рабочая полоса частот (по уровню КСВн=2,0) устройства фиг.4 в 2,5 раза шире, чем у устройства фиг.1.

Расширение рабочей частоты также имеет место и по КИП, как это следует из частотных зависимостей уровней мощности сигналов, принимаемых устройствами фиг.1 и фиг.4 (см. фиг.7б и фиг.8б).

Антенно-фидерные устройства фиг.1, 2, 4 формируют поле с горизонтальной поляризацией вектора Е, излучаемое в обе стороны от плоскости расположения элементов решетки. Плоский экран 23 (фиг.5, 6) не только перекрывает излучение в задней полуплоскости, но и дополнительно увеличивает усиление решеток фиг.1, 4 примерно на 3 дБ, что приводит к двукратному увеличению КИП излучающих апертур решеток.

Сказанное подтверждается результатами расчета КНД и измерения коэффициента усиления G_a антенной решетки фиг.5 на средней длине волны λ. Максимально возможное для этой решетки значение КИП=1 реализуется при S_эф=S_геом=3λ² (S_эф и S_геом - соответственно эффективная и геометрическая площадь апертуры решетки), которому соответствует значение . Измеренное значение G_a=36,3. Разница в значениях (КНД - G_a) составляет 0,2 дБ, что обусловлено потерями энергии в решетке. Таким образом, эксперимент подтвердил возможность реализации в заявленном устройстве максимального для заданной геометрии излучающей апертуры антенны значения КИП=1.

Так как в предложенном техническом решении периодически прерывают прохождение токов в смежные ромбовидные элементы и тем самым образуют решетку излучателей из пар ромбовидных элементов и разделяют в решетке функции фидера и излучателей, сменяя жесткую зависимость возбуждения источником синфазных токов в ромбовидных элементах от длины 2l=λ, соединяющих их с источником гармониковых проводников, на менее жесткую частотную зависимость от длины l_ш короткозамкнутых отрезков двухпроводной линии, с помощью которых выполняют резонансную настройку излучателей решетки с образованием в зазорах возбуждения излучателей пучностей стоячей волны напряжения в двухпроводной линии, которое сохраняется в некотором диапазоне частот, то способ обеспечивает синфазность токов в проводниках излучателей антенной решетки при изменении рабочей частоты.

Кроме того, на резонансной частоте выравниваются амплитуды напряжений в зазорах возбуждения излучателей решетки и симметрируются токи в проводниках двухпроводной линии, что улучшает равномерность распределения тока на проводниках ромбовидных элементов излучающей апертуры решетки.

Выполнение антенно-фидерного устройства в виде синфазной антенной решетки из ромбовидных элементов, длина сторон которых выбрана из соотношения 0,47λ≤l≤0,51λ, углы α₁, α₂, и α₃ ромбовидных элементов выбраны равными α₁=126°, α₂=58° и α₃=54°, а в местах соединения ромбовидных элементов, расположенных противоположно относительно общей для решетки паре точек питания, выполнены разрывы проводников с образованием зазоров, позволяет за счет увеличения эффективной площади излучателей решетки при равномерном распределении токов в проводниках излучателей и их синфазности увеличить КИП излучающей апертуры решетки, что приводит к увеличению коэффициента усиления решетки. Равномерность распределения токов в проводниках излучателей решетки и их синфазность достигаются введением в антенную решетку двухпроводной линии с короткозамкнутыми на концах четвертьволновыми отрезками, подключением к ней в зазорах Δ=0,12λ излучателей решетки, резонансную настройку которых осуществляют путем изменения длины l_ш короткозамкнутых отрезков в пределах l_ш=(0,234-0,266)λ. Вариант выполнения антенной решетки, в котором возбуждение излучателей выполнено в середине антенной решетки в месте разрыва проводников ромбовидных элементов, позволяет за счет взаимной связи излучателей в месте разрыва, где находится пучность стоячей волны напряжения в двухпроводной линии, расширить рабочую полосу устройства.

Литература

1. Журавлев В.И., Иванов B.C. Безопасность полетов летательных аппаратов. М.: Транспорт, 1986, с.24, 150.

2. Кудрявченко Н. Эффективные зигзагообразные антенны. - В помощь радиолюбителю, №114, 1992, рис.2г.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах в качестве направленной антенны линейной поляризации и, в частности, в радиотехнических системах обеспечения посадки летательных аппаратов. Технический результат - улучшение равномерности распределения токов и увеличение коэффициента использования поверхности излучающей апертуры синфазной антенной решетки, состоящей из ромбовидных элементов. Для этого возбуждение синфазных токов в проводниках ромбовидных элементов осуществляют посредством коаксиального фидера, формируют распределение токов в проводниках элементов с образованием пучностей в середине сторон элементов и узлов на концах сторон. Осуществляют периодическое прерывание прохождению токов от точек питания решетки в смежные пары ромбовидных элементов, возбуждение излучателей решетки напряжением в пучностях стоячей волны, формируемой в двухпроводной линии. Выполняют резонансную настройку крайних излучателей решетки, при этом осуществляют фазировку всех излучателей решетки, выравнивают амплитуды возбуждающих излучатели напряжений и симметрируют токи в проводниках двухпроводной линии относительно точек нулевого потенциала. Антенно-фидерное устройство содержит синфазную антенную решетку из ромбовидных элементов с разомкнутыми концами сторон. В местах соединения двух ромбовидных элементов между их проводниками выполнены зазоры в узлах токов на концах сторон. В местах соединения ромбовидных элементов выполнены периодически повторяющиеся разрывы проводников ромбовидных элементов с образованием решетки излучателей в виде пар ромбовидных элементов. В антенную решетку в зазоры ромбовидных элементов введена двухпроводная линия, к которой подключены излучатели решетки. При выбранной структуре построения и геометрии синфазной антенной решетки из ромбовидных элементов, а также благодаря предложенному способу ее возбуждения и настройки достигается улучшение равномерности распределения токов и обеспечивается их синфазность в проводниках ромбовидных элементов, улучшается согласование антенны с питающим фидером, увеличивается КИП излучающей апертуры и расширяется рабочая полоса частот. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ возбуждения и настройки синфазной антенной решетки из ромбовидных элементов, включающий возбуждение синфазных токов в проводниках ромбовидных элементов с разомкнутыми вблизи оси решетки концами сторон, расположенных в одной плоскости и подсоединенных смежно в ряд друг к другу упомянутыми концами сторон, в общей для решетки паре точек питания источником сигнала, расположенной симметрично относительно оси решетки в ее геометрической середине, причем возбуждение синфазных токов осуществляют посредством коаксиального фидера, проводники которого соединяют с проводниками упомянутых ромбовидных элементов в точках питания решетки источником сигнала, формирование распределения токов в проводниках ромбовидных элементов с образованием пучностей в середине ромбовидных элементов и узлов на концах сторон, отличающийся тем, что в узлах токов, образованных в местах соединения разомкнутых концов сторон ромбовидных элементов, периодически прерывают прохождение токов от точек питания решетки в смежные пары ромбовидных элементов, при этом обесточенные пары упомянутых ромбовидных элементов образуют вместе с парой возбужденных в точках питания решетки ромбовидных элементов решетку излучателей, каждый из которых возбуждают в точках соединения ромбовидных элементов напряжением в пучности стоячей волны, формируемой в двухпроводной линии, присоединенной к излучателям решетки в упомянутых точках их возбуждения, путем закорачивания ее проводников с двух концов на расстояниях от точек возбуждения крайних излучателей решетки, удовлетворяющих условию параллельного резонанса в контуре, эквивалентном закороченному отрезку двухпроводной линии, при этом период следования прерываний прохождению токов в смежные пары ромбовидных элементов и период следования возбуждений излучателей решетки напряжением выбирают равным средней длине волны возбуждаемых в двухпроводной линии колебаний, выполняют резонансную настройку крайних излучателей решетки, при которой осуществляют согласование антенны с коаксиальным фидером и синфазное возбуждение излучателей решетки, выравнивают амплитуды токов в проводниках излучателей решетки, симметрируют токи в проводниках двухпроводной линии относительно возникших на ее концах точек нулевого потенциала.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждение синфазных токов осуществляют посредством коаксиального фидера, проводники которого соединяют с проводниками двухпроводной линии на ее нижнем или на верхнем конце, а резонансную настройку излучателей решетки выполняют соответственно на верхнем или на нижнем конце двухпроводной линии.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждение синфазных токов осуществляют посредством коаксиального фидера, проводники которого соединяют с проводниками двухпроводной линии в месте прерывания прохождению токов в смежные пары ромбовидных элементов в геометрической середине решетки.4. Антенно-фидерное устройство, содержащее синфазную антенную решетку, выполненную из, по меньшей мере, четырех ромбовидных элементов с разомкнутыми вблизи оси решетки концами сторон, расположенных в одной плоскости и подсоединенных смежно в ряд друг к другу упомянутыми концами сторон, при этом углы α₁ между упомянутыми концами сторон выбраны из соотношения α₁≥90°, а длина сторон ромбовидных элементов выбрана удовлетворяющей условию образования узлов токов на концах сторон, причем в местах соединения ромбовидных элементов между их проводниками выполнены зазоры, расположенные поперек относительно продольной оси решетки в узлах токов на упомянутых концах сторон, один из которых расположен в геометрической середине решетки и предназначен для возбуждения источником сигнала синфазных токов в проводниках ромбовидных элементов в общей для решетки паре точек питания, отличающееся тем, что углы α₁ между разомкнутыми концами сторон ромбовидных элементов, углы α₂ ромбовидных элементов, обращенные к продольной оси решетки и углы α₃, направленные от нее, выбраны равными α₁=126°, α₂=58° и α₃=54°, в местах соединения разомкнутых концов сторон ромбовидных элементов, расположенных противоположно относительно общей для решетки паре точек питания, выполнены разрывы проводников ромбовидных элементов с образованием зазоров между ними, которые периодически повторяются и образуют решетку излучателей в виде пар ромбовидных элементов, в антенную решетку введена двухпроводная линия, выполненная из двух трубок диаметром 2r, расположенных в зазорах ромбовидных элементов параллельно друг другу и продольной оси решетки на расстоянии S<2r друг от друга и короткозамкнутых между собой на концах, в середине между короткозамкнутыми концами двух трубок в стенке одной из них выполнено отверстие, в полости этой трубки со стороны верхнего или нижнего излучателя решетки до отверстия проложен коаксиальный фидер, наружный проводник которого подсоединен к трубке по периметру отверстия, а центральный проводник выведен из отверстия и подсоединен к другой трубке, причем подсоединение проводников коаксиального фидера к трубчатым проводникам двухпроводной линии выполнено в вершинах углов ромбовидных элементов α₃ центрального излучателя решетки, а остальные излучатели решетки соединены в зазорах в местах соединения двух ромбовидных элементов с трубчатыми проводниками двухпроводной линии, при этом период следования разрывов проводников ромбовидных элементов и их соединений с трубчатыми проводниками двухпроводной линии выбран равным λ, длина l_ш отрезков двухпроводной линии от мест короткого замыкания трубок до точек соединения ромбовидных элементов крайних излучателей решетки с трубчатыми проводниками двухпроводной линии выбрана из соотношения 0,234λ≤l_ш≤0,266λ, а величина зазоров Δ в местах соединения ромбовидных элементов выбрана равной Δ=0,12λ, где λ - средняя длина волны возбуждаемых в двухпроводной линии колебаний, двухпроводная линия выполнена с возможностью изменения длины l_ш короткозамкнутых отрезков.5. Антенно-фидерное устройство по п.4, отличающееся тем, что коаксиальный фидер проложен в полости одной из трубок двухпроводной линии до ее нижнего или верхнего конца, наружный проводник коаксиального фидера соединен соответственно с нижним или верхним концом этой трубки, центральный проводник коаксиального фидера соединен соответственно с нижним или верхним концом другой трубки двухпроводной линии на расстоянии 0,234λ≤l_п≤0,266λ от точек соединения друг с другом ромбовидных элементов соответственно нижнего или верхнего излучателя решетки, а трубки короткозамкнуты между собой со стороны введения коаксиального фидера в полость трубки на расстоянии l_ш, которое аналогично упомянутому.6. Антенно-фидерное устройство по п.4, отличающееся тем, что общее количество пар ромбовидных элементов решетки выбрано нечетным.7. Антенно-фидерное устройство по п.4, отличающееся тем, что общее количество пар ромбовидных элементов решетки выбрано четным, а отверстие в стенке одной из трубок двухпроводной линии выполнено в месте разрыва проводников ромбовидных элементов в геометрической середине решетки.8. Антенно-фидерное устройство по любому из пп.4-7, отличающееся тем, что введен плоский экран, расположенный параллельно плоскости расположения ромбовидных элементов, при этом плоский экран выполнен прямоугольным, его длина не меньше расстояния между разомкнутыми концами сторон ромбовидных элементов крайних излучателей решетки, ширина экрана выбрана большей, чем 0,9λ, причем расстояние h между плоскостью экрана и плоскостью расположения ромбовидных элементов выбрано удовлетворяющим условию .