САМОФАЗИРУЮЩАЯСЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ИЗ N ПАР СКОШЕННЫХ ВОЛНОВОДОВ В РАЗНЫЕ СТОРОНЫ Российский патент 2011 года по МПК H01Q21/00 H01Q3/26 

Изобретение относится к области самофазирующихся антенных решеток для ретрансляторов связи и может быть использовано в учебном процессе.

Аналогом заявляемого устройства является антенное ретранслирующее устройство, осуществляющее прием и передачу сигнала при измерении диаграмм вторичного излучения антенн. Оно представляет приемопередающую антенну, состоящую из пирамидального рупора, соединенного с короткозамкнутым волноводным трактом, в котором установлен амплитудно-фазовый модулятор (авторское свидетельство

№315 128 от 1970 г, МПК G01R 29/10, Баренова И.В., Варшавчик М.Л., Кобак В.О.).

Недостатком аналога является узкий сектор рабочих углов Δφ, где φ - пространственный угол (например, угол азимута).

Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого устройства является электродинамический антенный отражатель Ван-Атта, состоящий из N-пар волноводных антенн в виде открытых концов волноводов или рупоров, причем раскрывы волноводных антенн расположены перпендикулярно оси волновода (под углом α=90° к оси, как следует из описания), соединенных согласованными волноводными трактами одинаковой электрической длины (патент США №290 8002, класс 343-776 от 1955 г.).

Прототип имеет узкую ширину диаграммы обратного рассеяния, т.е. меньшую или равную 80° (Δφ≤80°), где φ - угол азимута, совпадающий с плоскостью расположения решетки антенных переизлучателей в виде открытых концов волноводов или коротких рупорных антенн.

Узкая ширина диаграммы обратного рассеяния прототипа обусловлена тем, что антенные переизлучатели прототипа имеют раскрывы, перпендикулярные оси, т.е. совпадающие с углом α=90°, отсчитываемым от оси волновода.

Целью изобретения является создание самофазирующейся антенной решетки, имеющей более широкую диаграмму обратного рассеяния.

Заявляемое устройство позволяет решать следующие задачи:

- создавать переизлученный сигнал связи в широком секторе углов пространства до значения в два раза шире, чем прототип;

- использовать одно заявляемое устройство вместо двух прототипов;

- уменьшить массогабаритные характеристики ретранслятора связи.

Решение поставленных задач достигается тем, что в заявляемом устройстве антенны в виде открытых концов волноводов каждой пары имеют скошенные раскрывы в разные стороны под углом плюс/минус α от 15° до 89° градусов (±α=от 15° до 89°) к оси антенны, а волноводные антенны установлены своими осями и скошенными раскрывами в разные стороны, при этом раскрывы левых антенн пар образуют с раскрывами правых антенн пар клин с углом при вершине β°, равным от 10° до 180° градусов (β=от 10° до 180°). В частном варианте клин при угле β°, равном 180°, совпадает с линейной апертурой заявляемого устройства, антенного переизлучателя, фиг.1.

На фиг.1 представлена конструкция заявляемого устройства с возможностью разъединения антенн и волноводов с помощью фланцев, где обозначено:

1, 2 - первая левая и вторая правая антенны в виде скошенного волновода первой пары антенн;

3, 4, 5, 6 - соединительные фланцы антенн;

7, 8, 9, 10 - соединительные фланцы согласованных волноводов;

11 - согласованный волновод, соединяющий антенны первой пары антенн;

12, 13 - первая и вторая антенны в виде скошенного волновода N пары антенн;

14 - согласованный волновод, соединяющий антенны N-пары;

15 - основание, на котором жестко закреплено заявляемое устройство.

Конструкция заявляемого устройства представляет и содержит следующее. N пар волноводных антенн в виде скошенных открытых концов волноводов п.1, п.2, п.12, п.13 фиг.1, которые в первом варианте устройства скошены в Е плоскости волновода, а во втором варианте устройства скошены в Н плоскости волновода.

Первая волноводная антенна в виде скошенного открытого конца волновода п.1 фиг.1 первой пары скошена влево под углом плюс α, равным от 20° до 89° (α=от 20° до 89°) к оси OY волновода, и наклонена влево относительно вертикальной оси OY, проходящей через средину устройства, и обеспечивает приемопередачу сигнала, причем угол α отсчитывается от оси волновода, совпадающей со значением α=0°, при этом за положительное направление отсчета угла принято направление против часовой стрелки.

Вторая волноводная антенна в виде скошенного открытого конца волновода п.2 фиг.1 первой пары скошена вправо под углом минус α, равным от -20° до -89° (α=от

-20° до -89°) к оси волновода, и наклонена вправо относительно вертикальной оси OY, проходящей через средину устройства, и обеспечивает приемопередачу сигнала, причем угол α отсчитывается от оси волновода, совпадающей со значением α=0°, при этом за положительное направление отсчета угла принято направление против часовой стрелки.

Фланцы п.3 и п.4 фиг.1 антенн первой пары в виде скошенных открытых концов волноводов присоединены к фланцам п.7 и п.8 фиг.1 согласованного волноводного тракта п.11 фиг.1 первой пары. Электрическая длина пути волны l_Э1 от середины апертуры первой антенны п.1 фиг.1 первой пары через согласованный волноводный тракт п.11 фиг.1 до середины апертуры второй антенны п.2 фиг.1 равна l_Э1=k·l₁,

где l₁ -геометрическая длина пути;

λ - длина волны.

Раскрыв левой антенны п.12 фиг.1 N-пары находится в плоскости раскрыва левой антенны п.1 фиг.1 первой пары на прямой между ними, вместе они образуют левую половину апертуры заявляемого устройства. Раскрыв правой антенны п.13 фиг.1 N-пары находится в плоскости раскрыва правой антенны п.2 фиг.1 первой пары на прямой между ними, вместе они образуют правую половину апертуры заявляемого устройства.

Первая левая волноводная антенна в виде скошенного открытого конца волновода п.12 фиг.1 N-пары осуществляет приемопередачу сигнала и имеет скошенный влево раскрыв, расположенный под углом плюс α, равным от 20° до 89° (α=от 20° до 89°) к оси ОY_B волновода, и наклонена влево относительно вертикальной оси OY устройства, проходящей через средину устройства, причем угол α отсчитывается от оси волновода, совпадающей со значением α=0°, при этом за положительное направление отсчета угла принято направление против часовой стрелки.

Вторая волноводная антенна в виде скошенного открытого конца волновода п.2 фиг.1 N-пары обеспечивает приемопередачу сигнала и имеет скошенный вправо раскрыв, расположенный под углом минус α, равным от -20° до -89° (α=от -20° до -89°) к оси OY_B волновода, и наклонена вправо относительно вертикальной оси OY устройства, проходящей через средину устройства, причем угол α отсчитывается от оси волновода, совпадающей со значением α=0°, при этом за положительное направление отсчета угла принято направление против часовой стрелки.

Фланцы п.5 и п.6 фиг.1 антенн N-пары в виде скошенных открытых концов волноводов присоединены к фланцам п.9 и п.10 фиг.1 согласованного волноводного тракта п.14 фиг.1 N-пары.

Электрическая длина пути волны l_ЭN от середины апертуры первой антенны п.1 фиг.1 первой пары через согласованный волноводный тракт п.11 фиг.1 до середины апертуры второй антенны п.2 фиг.1 равна l_ЭN=k·l_N,

где l_N - геометрическая длина пути;

λ - длина волны.

Причем волноводные тракты каждой пары имеют одинаковую длину, все антенны также имеют одинаковую длину. В результате электрические длины каждой пары равны друг другу: l_Э1=l_ЭN.

Раскрыв левой антенны п.12 фиг.1 N-пары находится в плоскости раскрыва левой антенны п.1 фиг.1 первой пары на прямой между ними, вместе они образуют левую половину апертуры заявляемого устройства. Раскрыв правой антенны п.13 фиг.1 N-пары находится в плоскости раскрыва правой антенны п.2 фиг.1 первой пары на прямой между ними, вместе они образуют правую половину апертуры заявляемого устройства.

Таким образом, левая половина апертуры заявляемого устройства и правая половина апертуры заявляемого устройства образуют раскрыв заявляемого устройства в виде клина с углом при вершине β°, равным от 10° до 180° градусов (β=от 10° до 180°).

На фиг.2 представлен второй вариант конструкции заявляемого устройства без соединительных фланцев с невозможностью разъединения антенн и волноводов, имеющего меньший вес, где обозначено:

1, 2 - первая левая и вторая правая антенны в виде скошенного волновода первой пары антенн;

11 - согласованный волновод, соединяющий антенны первой пары антенн;

12, 13 - первая и вторая антенны в виде скошенного волновода N пары антенн;

14 - согласованный волновод, соединяющий антенны N пары;

15 - основание, на котором жестко закреплено заявляемое устройство.

На фиг.4 представлен третий вариант конструкции заявляемого устройства, содержащий и представляющий следующее.

В волноводных трактах или в раскрывах, апертурах антенн находятся СВЧ диоды переключательного типа или диоды, генерирующие СВЧ колебания, типа диодов Ганна или туннельные генерирующие СВЧ колебания п.16 фиг.4. Эти диоды подключены к модулятору с источником питания п.17 фиг.4, например в виде НЧ генератора, создающего НЧ колебания, - информационный сигнал.

Этот вариант заявляемого устройства обеспечивает следующее: 1 - приемопередачу сигнала в обратном направлении - пассивную ретрансляцию сигнала; 2 - приемопередачу сигнала в обратном направлении с модуляцией - полуактивную ретрансляцию сигнала; 3 - приемопередачу сигнала в обратном направлении с модуляцией и усилением сигнала - активную ретрансляцию сигнала.

Заявляемое устройство работает следующим образом. На фиг.3 показано падение плоской волны из дальней зоны на заявляемое устройство и приемопередача сигнала обратно в виде отраженной плоской волны.

Луч 1 фиг.3 падающей плоской волны проходит через первую антенну в виде скошенного конца волновода первой пары п.1 фиг.3, затем через согласованный волноводный тракт п.11 фиг.3 попадает во вторую антенну в виде скошенного конца волновода первой пары п.2 фиг.3, которая переизлучает волну в обратном направлении. При этом электрическая длина пути волны вдоль луча 1 фиг.3 от плоского фронта волны и обратно к нему через волноводный тракт и пространство равна:

L_Э1=l_Э1+Δl_Э1+Δl_Э2,

где Δl_Э1, Δl_Э2 - длины путей волны в пространстве вдоль луча 1 от отражателя до плоского фронта волны.

Аналогично волна проходит вдоль луча 2 N пары. Луч 2 фиг.3 от падающего фронта плоской волны проходит через первую антенну в виде скошенного конца волновода п.12 фиг.3 N пары, затем через согласованный волноводный тракт п.14 фиг.3 попадает во вторую антенну в виде скошенного открытого конца волновода п.13 фиг.3 N-пары, которая переизлучает волну в обратном направлении. При этом электрическая длина пути L_ЭN вдоль луча 2 от плоского фронта и обратно к нему через тракт и пространство равна

L_ЭN=l_ЭN+Δl₃·k+Δl₄·k,

где Δl₃, Δl₄, - длины путей луча 2 в пространстве от отражателя до плоского фронта волны.

Путем решения задачи с помощью геометрической оптики и в результате геометрических построений из фиг.3 следует, что сумма путей волны вдоль луча 1 Δl₁+Δl₂ равна сумме путей волны вдоль луча 2 Δl₃+Δl₄, т.е.

(Δl₁+Δl₂)=(Δl₃+Δl₄)

Таким образом, длины путей волны вдоль луча 1 и луча 2 от плоского фронта и обратно через тракт отражателя равны

L_Э1=L_ЭN,

или

l_Э1+k·Δl₁+k·Δl₂=l_ЭN+k·Δl₃+k·Δl₄,

при этом Δl_Э1 = l_Э2 вследствие конструктивного исполнения.

В результате заявляемое устройство обеспечивает приемопередачу сигнала в строго обратном направлении, который с помощью СВЧ диодов, подключенных к НЧ модулятору информационного сигнала и установленных в волноводных трактах, может быть промодулирован. Так как антенны скошенных волноводов имеют более широкие диаграммы направленности, чем антенны прототипа в виде открытого конца волновода с апертурой (раскрывом), перпендикулярной оси волновода, то заявляемое устройство создает диаграмму обратного рассеяния шириной Δφ_ЗУ, показанную на фиг.5, которая более чем в два раза шире, чем диаграмма обратного рассеяния устройства прототипа Δφ_прот, т.е.

Δφ_ЗУ≥Δφ_прот

Заявляемое устройство используется в качестве ретранслятора связи в лабораториях Южного федерального университета, Технологического института Южного федерального университета и в других организациях.

Источники информации

1. В.О.Кобак. Радиолокационные отражатели. М.: Сов. радио, 1975 г.

2. Огурцов Е.С., Огурцов С.Ф. «Устройство для измерения и калибровки диаграмм направленности светоизлучающих устройств в плоскости». Патент №2361183 от 10.07.09.

Изобретение относится к области самофазирующихся антенных решеток для ретрансляторов связи. Техническим результатом является расширение рабочего сектора углов в плоскости антенной решетки. Согласно изобретению в самофазирующейся антенной решетке, состоящей из N пар волноводных антенн, соединенных согласованными волноводными трактами одинаковой электрической длины, введены пары волноводных антенн со скошенными в разные стороны раскрывами, левые антенны каждой пары скошены влево под углом плюс α, равным от 20° до 89° к осям волноводных антенн, а правые антенны каждой пары скошены вправо под углом минус α, равным от -20° до -89° к осям волноводных антенн, левые и правые волноводные антенны установлены своими осями и скошенными раскрывами в разные стороны, при этом левая половина апертуры решетки, образованная из раскрывов левых антенн пар, и правая половина апертуры решетки, образованная из раскрывов правых антенн пар, образуют единую клиновидную апертуру решетки с углом при вершине β°, равным от 10° до 180°. 5 ил.

Самофазирующаяся антенная решетка, состоящая из N пар волноводных антенн, соединенных согласованными волноводными трактами одинаковой электрической длины, отличающаяся тем, что волноводные антенны каждой пары имеют скошенные в разные стороны раскрывы, левые антенны каждой пары скошены влево под углом плюс α, равным от 20 до 89°, к осям волноводных антенн, а правые антенны каждой пары скошены вправо под углом минус α, равным от -20 до -89° к осям волноводных антенн, левые и правые волноводные антенны установлены своими осями и скошенными раскрывами в разные стороны, при этом левая половина апертуры решетки, образованная из раскрывов левых антенн пар, и правая половина апертуры решетки, образованная из раскрывов правых антенн пар, образуют единую клиновидную апертуру решетки с углом при вершине β°, равным от 10 до 180°.