ДВУХЧАСТОТНАЯ ДВУХПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ВИБРАТОРНО-ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА (АР) ШИРОКОУГОЛЬНОГО СКАНИРОВАНИЯ С ПОВЫШЕННОЙ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬЮ АНТЕННЫ МЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2010 года по МПК H01Q21/26 

Настоящее изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при создании двухчастотных, двухполяризационных фазированных антенных решеток широкоугольного сканирования для приема/передачи сигналов в метровом и дециметровом диапазоне частот различной поляризации в широком секторе углов.

Известно описание двухчастотной антенны и приближенный метод ее расчета. Например, см. «Проектирование фазированных антенных решеток», М., Радиотехника, 2003 г., стр.214. В данном аналоге рассматривается совмещенная двухчастотная вибраторно-вибраторная антенна, которая может работать только в режиме линейной поляризации и не обеспечивает широкоугольность сканирования. В таких антеннах необходимо учитывать влияние (переотражение между апертурами, рассеяние высокочастотного (ВЧ) поля на низкочастотных (НЧ) вибраторах, экранирование или затенение и др.) излучателей одного диапазона частот на диаграмму направленности (ДН) и согласование в другом диапазоне, что приводит к уменьшению коэффициента усиления (КУ), а также к искажению диаграмм направленности, особенно это проявляется в угловых секторах, близких к предельным (±60°), и соответственно влияет на достижение широкоугольного сканирования. Для электромагнитной совместимости и уменьшения влияния решеток вибраторов ВЧ-диапазона на параметры и настройку решеток НЧ-диапазона в такой антенне необходимы согласующие фильтры, которые должны пропускать электромагнитные волны в заданной полосе рабочего диапазона и не пропускать в полосе частот совмещенного диапазона.

Известна также антенна, принятая за прототип и описанная в патенте №2333579 от 10.09.2008 («Двухполяризационная, вибраторная АР ВЗГ, метрового диапазона с широкоугольным сканированием и способ ее настройки»), в которой используются крест-вибраторы, состоящие из взаимно ортогональных симметричных вибраторов, типоразмер которых уточняется при настройке, что позволяет осуществлять работу антенны в метровом диапазоне в двухполяризационном режиме. Для широкоугольного сканирования излучающее полотно данной антенны состоит из отдельных настроенных на оптимальное согласование модулей, представляющих собой решетки из крест-вибраторов, с сеткой размещения в углах равнобедренного треугольников с расстояниями по координатным осям между столбцами излучателей d_x=0,45λ₀ и между строками d_y=0,32λ₀, где λ₀ - средняя длина волны рабочего диапазона антенны. Данная антенна может работать как в режиме двух ортогональных линейных поляризаций, так и в режиме круговой поляризации правого или левого вращения и обеспечивает широкоугольность сканирования в метровом диапазоне.

Задачей настоящего изобретения является создание совмещенной, двухчастотной, метрового и дециметрового диапазона, двухполяризационной антенны широкоугольного сканирования с повышенной помехоустойчивостью антенны метрового диапазона.

Для решения этой задачи предлагается конструкция общего полотна антенны, состоящая из модулей, содержащих антенные решетки из крест-вибраторов с различными типоразмерами для метрового и дециметрового диапазонов, размещенных по треугольным сеткам, рассчитанным для обеспечения широкоугольности качания луча так же, как и в прототипе, точным выбором расположения в антенном полотне крест-вибраторов метрового и дециметрового диапазонов, с установлением расстояний между столбцами крест-вибраторов каждого диапазона равным d_x(1,2)=0,45λ_0(1,2) и между строками d_y(1,2)=0,32λ_0(1,2), где λ_0(1,2) - средняя длина волны рабочего диапазона антенны метрового или дециметрового диапазона соответственно, причем места расположения крест-вибраторов дециметрового диапазона не совпадают с местами установки крест-вибраторов метрового диапазона. При этом в конструкцию крест-вибратора антенны метрового диапазона встраивается фильтр нижних частот. Параметры фильтра выбраны таким образом, что он пропускает практически без потерь частоты рабочего диапазона антенны метрового диапазона и подавляет частоты, лежащие вне рабочего диапазона и на высших гармониках. Фильтр встроен в запитывающую стойку крест-вибратора и представляет собой коаксиальную линию с центральным проводником переменного диаметра (фиг.2). Конфигурация центрального проводника определяется требуемыми характеристиками фильтра. В результате крест-вибратор метрового диапазона представляет собой единую конструкцию с фильтром, что значительно упрощает расчет и конструкцию данной антенной решетки и сокращает время настройки всей антенны при ее построении в системе высокой заводской готовности, когда полотно антенны составляется из антенных модулей, полностью изготовленных на заводе-изготовителе и настроенных на оптимальное согласование во всем секторе обзора в условиях широкоугольного сканирования. Поскольку в одном излучающем раскрыве имеются две антенны различные по диапазону, данное построение крест-вибратора метрового диапазона дает возможность применить раздельно метод их настройки и уточнения типоразмеров крест-вибраторов каждой антенны, описанный в прототипе, исключив их влияние друг на друга, что является новым существенным признаком и основным преимуществом при построении совмещенных антенных решеток.

Техническими результатами изобретения являются:

- помехозащищенность антенны метрового диапазона,

- минимизация влияния излучателей ВЧ-диапазона на ДН и согласование в НЧ-диапазоне, что обеспечивает широкоугольность сканирования в секторе ±60° от нормали к раскрыву АР,

- уменьшение сроков настройки на согласование во всем секторе обзора.

В результате каждая АР обеспечивает двухполяризационную работу (на круговой поляризации правого или левого вращения или на двух ортогональных линейных поляризациях) за счет применения в качестве излучателей крест-вибраторов с уточненными при настройке типоразмерами для каждого диапазона, а также обеспечивается независимое формирование ДН и широкоугольность сканирования луча в секторе ±60° от нормали к излучающему раскрыву, за счет применения данной треугольной сетки их расположения и обеспечения согласования излучателей во всем секторе обзора при настройке, кроме того, применение встроенного фильтра нижних частот в запитывающей стойке крест-вибратора метрового диапазона обеспечивает помехозащищенность антенны метрового диапазона от влияния на ее параметры и настройку антенны дециметрового диапазона.

На фиг.1 изображена схема фрагмента модуля двухчастотной АР.

На фиг.2 представлен эскиз конструкции крест-вибратора метрового диапазона с встроенным фильтром нижних частот.

На фиг.3 приведены экспериментальные графики результатов согласования на рабочих частотах крест-вибраторов метрового диапазона в секторе углов ±60° от нормали к раскрыву АР.

На фиг.4 приведены экспериментальные графики результатов согласования на рабочих частотах крест-вибраторов дециметрового диапазона в секторе углов ±60° от нормали к раскрыву АР.

Как видно из представленной на фиг.1 схемы построения модуля двухчастотной, двухполяризационной, вибраторно-вибраторной антенной решетки в одном излучающем раскрыве имеются две антенны, различные по диапазону, при этом крест-вибраторы 1 дециметрового диапазона расположены под излучателями - крест-вибраторами 2 метрового диапазона, причем каждые из них размещены по своей треугольной сетке, рассчитанной для каждого диапазона частот, в углах равнобедренного треугольника с расстояниями между столбцами крест-вибраторов каждого диапазона равными d_x(1,2)=0,45λ_0(1,2) и между строками d_y(1,2)=0,32λ_0(1,2), где λ_0(1,2) - средняя длина волны рабочего диапазона антенны метрового или дециметрового диапазона соответственно, причем места расположения крест-вибраторов дециметрового диапазона не совпадают с местами установки крест-вибраторов метрового диапазона.

На фиг.2 показана конструкция крест-вибратора 2 метрового диапазона с встроенным фильтром нижних частот. Фильтр встроен в запитывающую стойку 3 крест-вибратора 2 и представляет собой коаксиальную линию с центральным проводником переменного диаметра 4. Конфигурация центрального проводника определяется требуемыми характеристиками фильтра. Параметры фильтра выбраны таким образом, что он пропускает практически без потерь частоты рабочего диапазона антенны метрового диапазона и подавляет частоты, лежащие вне рабочего диапазона и на высших гармониках. Наличие фильтра в излучателе антенны метрового диапазона позволяет уменьшить влияние антенны дециметрового диапазона на параметры и настройку антенны метрового диапазона, в т.ч. уменьшаются потери и сокращается время настройки всей антенны при ее построении в системе высокой заводской готовности. Метод настройки антенны метрового и дециметрового диапазонов аналогичен описанному в прототипе-патенте РФ на изобретение №23335579 от 10.09.2008 г. Данный экспериментально-расчетный метод настройки больших ФАР на экспериментальном фрагменте АР, состоящем из крест-вибраторов, параметры (типоразмер) которых предварительно рассчитаны и уточняются регулировкой размеров плеч и высоты при настройке, не только упрощает и сокращает время настройки таких многофункциональных антенн, но и значительно сокращает их стоимость. Отличие в настройке в настоящей антенне по сравнению с прототипом заключается в последовательности настройки. Сначала настраивается антенна метрового диапазона (уточняется размер плеч крест-вибратора и их расстояние до экрана). Затем настраивается антенна дециметрового диапазона. При настроенной антенне дециметрового диапазона проверяется еще раз настройка антенны метрового диапазона. Если настройка антенны метрового диапазона изменилась, то производят подстройку. Далее повторяют операции с антенной дециметрового диапазона. Обычно достаточно двух этапов настройки, чтобы обе антенны удовлетворяли требованиям по согласованию.

Изготовленные согласно изобретению модули данной антенной решетки были экспериментально исследованы на получение заявленного технического результата.

На фиг.3, 4 приведены экспериментальные графики результатов согласования на рабочих частотах крест-вибраторов метрового и дециметрового диапазонов в секторе углов ±60° от нормали к раскрыву АР. Как видно из приведенных экспериментальных характеристик, согласование каждого излучателя антенн метрового и дециметрового диапазона удовлетворительно. Максимальное значение КСВН во всем диапазоне углов сканирования и в полосе рабочих частот меньше или равно ≤2,5, что подтверждает работоспособность данной совмещенной АР, т.е. независимое формирование ДН в каждом диапазоне и широкоугольность сканирования луча в секторе ±60° от нормали к излучающему раскрыву, а также помехозащищенность антенны метрового диапазона.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при создании двухчастотных, двухполяризационных фазированных антенных решеток широкоугольного сканирования для приема/передачи сигналов в метровом и дециметровом диапазоне частот различной поляризации в широком секторе углов. Техническим результатом является минимизация влияния излучателей ВЧ-диапазона на ДН и согласование в НЧ-диапазоне, что обеспечивает помехозащищенность антенны метрового диапазона, широкоугольность сканирования в секторе ±60° от нормали к раскрыву АР и уменьшение сроков настройки на согласование во всем секторе обзора. Конструкция данной совмещенной антены состоит из модулей, содержащих антенные решетки из крест-вибраторов с различными типоразмерами для метрового и дециметрового диапазонов, размещенных по треугольным сеткам, рассчитанным для обеспечения широкоугольности качания луча, с установлением расстояний между столбцами крест-вибраторов каждого диапазона равных d_x(1,2)=0,45λ_0(1,2) и между строками d_y(1,2)=0,32λ_0(1,2), где λ_0(1,2) - средняя длина волны рабочего диапазона антенны метрового или дециметрового диапазона соответственно, причем места расположения крест-вибраторов дециметрового диапазона не совпадают с местами установки крест-вибраторов метрового диапазона. При этом в конструкцию крест-вибратора антенны метрового диапазона встраивается фильтр нижних частот. Параметры фильтра выбраны таким образом, что он пропускает практически без потерь частоты рабочего диапазона антенны метрового диапазона и подавляет частоты, лежащие вне рабочего диапазона и на высших гармониках. Фильтр встроен в запитывающую стойку крест-вибратора и представляет собой коаксиальную линию с центральным проводником переменного диаметра. Конфигурация центрального проводника определяется требуемыми характеристиками фильтра. В результате крест-вибратор метрового диапазона представляет собой единую конструкцию с фильтром. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двухчастотная двухполяризационная вибраторно-вибраторная антенная решетка широкоугольного сканирования с повышенной помехоустойчивостью антенны метрового диапазона, состоящая из модулей, содержащих решетки из крест-вибраторов с типоразмером для метрового диапазона, размещенных по треугольной сетке в углах равнобедренного треугольника с расстояниями по координатным осям между столбцами крест-вибраторов, равными d_x1=0,45λ₀₁, и между строками d_y1=0,32λ₀₁, где λ₀₁ - средняя длина волны метрового диапазона, отличающаяся тем, что в каждом модуле дополнительно размещены крест-вибраторы с типоразмером дециметрового диапазона по аналогичной треугольной сетке с расстояниями по координатным осям между столбцами крест-вибраторов, равным d_x2=0,45λ₀₂ и между строками d_y2=0,32λ₀₂, где λ₀₂ - средняя длина волны дециметрового диапазона, кроме того в запитывающую стойку крест-вибратора метрового диапазона встроен фильтр нижних частот, который представляет собой коаксиальную линию с центральным проводником переменного диаметра.

2. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что крест-вибратор метрового диапазона представляет собой единую конструкцию с фильтром нижних частот.