ПЕРЕСТРАИВАЕМАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ "КОРОТКИХ" АНТЕНН С КОМПЕНСАЦИЕЙ Российский патент 2013 года по МПК H01Q9/00 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и может применяться для устойчивого приема сигналов различной поляризации поля и пеленгации их источников в радиовещании, телеприеме и радиосвязи. Благодаря своим малым размерам, нетребовательности к чистоте антенного изолятора, возможности частотной перестройки, однонаправленностью приема и состоящая из антенн, невыступающих за габариты противовеса, то такая антенная решетка (АР) может использоваться в малогабаритных переносных устройствах и на транспорте.

Известна АР, состоящая из активных идентичных штыревых антенн, выходы антенных усилителей (АУ) у которых подключены к входам сумматора (В.А. Гостюхин, В.Н. Трунов, К.Г. Климачев, Ю.С. Данич. Активные фазированные антенные решетки, М.: Радио и Связь, 1993 г., с.160). Элементы этой решетки состоят из габаритных штыревых антенн, чувствительных к качеству антенного изолятора и к перегрузкам АУ от интенсивных входных сигналов, обеспечивают прием только вертикально поляризованного поля. Эта АР имеет неоднозначность пеленга на источник сигнала и невысокий коэффициент направленного действия (КНД).

Антенная решетка - прототип состоит из связанной линейки электрически «коротких» активных антенн, представляющей из себя N≥1 пар либо штыревых, либо щелевых активных антенн с компенсацией; как емкостных токов шунтирования рабочего электрода (РЭ) на противовес через его нижнюю собственную емкость, так и его гальванических токов утечки на противовес через загрязнение антенного изолятора, РЭ антенн соединены с входами АУ, а между РЭ и противовесом располагаются компенсирующие электроды (КЭ), которые взаимно и перекрестно соединены с дополнительными выходами АУ парной антенны, коэффициент передачи сигнала по напряжению на дополнительных выходах АУ близок к единице, а основные выходы АУ подключены к входам сумматора напряжений (Патент РФ №2292613, опубл. 27.01.07 г., Бюл. №3).

При одинаковых размерах антенн прототип имеет большую чувствительность, менее зависим от чистоты антенного изолятора и обладает высоким КНД, но имеет малую полосу пропускания, не перестраивается по частоте, требователен к идентичности конструкции антенн. Для повышении стабильности приема и точности пеленга необходимо также иметь в АР и выход сигнала с круговой диаграммой направленности (ДН) приема, что в прототипе отсутствует.

Целью этого изобретения является создание приемной АР из электрически «коротких» антенн с компенсацией, имеющей увеличенную полосу приема, возможность частотной перестройки, наличие выхода с круговой ДН и упрощенную конструкцию.

Поставленная цель достигается тем, что в известной АР, состоящей из N≥1 пар активных антенн, у которых РЭ подключены к входам АУ и КЭ располагаются между РЭ и противовесом, отличающаяся тем, что в линейке связанных антенн к дополнительному выходу АУ независимой антенны, имеющего коэффициент передачи по напряжению, близкий к единице, подсоединены компенсирующие электроды независимой, а через соединительную линию и зависимой антенны, с АУ которой снимается выходной сигнал решетки, а с основного выхода АУ независимой антенны снимается принятый и усиленный сигнал с круговой ДН. Частотная перестройка АР обеспечивается путем включения в единственную соединительную линию перестраиваемую линию задержки (ПЛЗ) или наличия нескольких различных соединительных линий, которые могут по отдельности включаться в цепь питания КЭ зависимой антенны, а также использование линейки АР с одной общей независимой антенной и несколько зависимых антенн с различными базами. В частных случаях в качестве РЭ используются штыри, диски, изолированные части противовеса или конструктивные элементы транспортного средства, расположенные над противовесом.

Обеспечение на КЭ напряжения, равного по величине и синфазного с напряжением на РЭ, приводит к компенсации значительной части собственной емкости РЭ относительно противовеса в его нижней полусфере, что приводит к увеличению действующей высоты электрически «короткой» антенны и компенсации гальванических токов утечек в случае загрязнения антенного изолятора. Для независимой антенны в составе АР разность фаз Δφ между напряжениями на РЭ и КЭ будет определяться только фазовыми характеристиками ее АУ, а отсюда ДН по азимуту на основном выходе будет круговой, но у зависимой антенны величина Δφ будет определяться азимутам прихода поля сигнала.

Выходное напряжение зависимой антенны в предлагаемой АР запишется следующим образом: $$U_{вых}=\frac{E{S}_{э}{\epsilon }_{о}K}{\left(C_{в}+{С}_{вх}\right)+\sqrt{2\left(1-\cos \Delta \varphi \right)}{С}_{р-к}},\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(1\right)$$ где Е - электрическая напряженность поля сигнала в окрестности РЭ зависимой антенны, S - эффективная площадь РЭ, ε_о=8.85·10^-12 ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума, K - коэффициент усиления АУ, С_в - емкость РЭ относительно противовеса в его верхней полусфере, С_вх - входная емкость АУ, С_р-к - взаимная емкость между РЭ и КЭ. Величина фазового сдвига между напряжением на РЭ и КЭ запишется:

$$(2)\Delta \varphi =\frac{2\pi d}{\lambda }(\frac{l}{d}n+\sin \psi )$$ , где d - база разноса между РЭ независимой и зависимой антеннами, l - длина соединительной линии, а n - относительная фазовая скорость распространения поля в соединительной линии, λ - длина волны принимаемого сигнала, ψ - азимутальный угол прихода сигнала от нормали к базе d. Максимальная величина U_вых получается, исходя из формулы (1) при cosΔφ=1, а отсюда Δφ=0,2π, 4π…. В наборе этих углов из физических соображений исключаем Δφ=0, так как это соответствует l=0, а из остальных углов оставляем только низшую гармонику частоты, что соответствует Δφ=2π. Ставя это значение в уравнение (2), получаем равенство, из которого определяем характеристики АР для заданных рабочих длин волн λ. Условиям максимального приема в ДН решетки для поперечного приема при ψ=0 из (2) соответствует λ=ln, а для продольного приема ψ=90 имеет λ=ln+d. Из этих равенств следует, что частотную перестройку АР можно осуществлять изменением длины базы d, длины соединительной линии l или ее характеристики $$n=\frac{c}{v}=\sqrt{\epsilon \mu }$$ , где ε и µ - относительная диэлектрическая и магнитная проницаемость материала линии, а также помещение в соединительную линию ПЛЗ, что приводит к изменению времени задержки сигнала t₃, а отсюда к вариациям относительной фазовой скорости распространения поля $$n=t_3\frac{c}{l}$$ между КЭ независимой и зависимой антеннами. Изменение d, l, n соединительной линии приводит к ступенчатой частотной перестройки рабочей частоты, а изменение t₃ обеспечивает плавную перестройку частоты.

Полоса приема АР определяется степенью изменения положения ее ДН от частоты и характеризуется уменьшением на 3 дБ уровня приема относительно максимума приема. В случае двух соединительных линий в АР прототипа, то вариации λ в (2) приводят к изменению Δφ и вследствие этого происходит уменьшение напряжения на КЭ у двух антенн, что приводит к значительному сужению полосы пропускания решетки. В предлагаемой АР имеется только одна соединительная линия, которая обеспечивает независимость величин напряжений на КЭ у независимой антенны, что приводит к расширению полосы приема сигналов. Элементы АР в виде электрически коротких антенн обладают широкополосным приемом и круговой по азимуту ДН, но в составе АР происходят вариации формы ее ДН в зависимости от частоты. Для обеспечения азимутальной избирательности приема на выходах АУ независимой и зависимой антенн обеспечивается частотная фильтрация принятых сигналов. В случае линейки АР с общей независимой и несколькими зависимыми, то полоса пропускания фильтра независимой антенны составляет сумму полос пропускания частот зависимых антенн.

Временные вариации интенсивности источника сигнала приводят к затруднениям при определении его пеленга по критерию максимальной величины выходного сигнала, а отсюда имеется необходимость контроля этих временных вариаций его интенсивности. В предлагаемой АР имеется основной выход в АУ независимой антенны, с которого снимается сигнал как с одиночной антенны, имеющей круговую ДН, но со всеми преимуществами компенсации.

Определение пеленга на источник сигнала в одном случае возможно путем механического вращения линейки связанных антенн, а в другом случае использовать неподвижную конструкцию АР с электронным коммутирующим устройством. В этом случае независимая антенна является общей для нескольких зависимых антенн, расположенных по кругу вокруг нее и связанных с ней соединительными линиями. Выходы АУ зависимых антенн подключаются к входам электронного коммутатора, который по управляющему сигналу соединяет по отдельности их с его общим выходом. Для уменьшения нагрузки на дополнительный выход АУ независимой антенны при подключении к нему КЭ нескольких зависимых антенн, то в этом АУ организуется еще добавочные дополнительные выходы со своими отдельными усилительными радиотрактами. На этих дополнительных выходах также обеспечивается коэффициент передачи принятого сигнала, по напряжению близкий к единице, и к ним через соединительные линии подключаются КЭ других зависимых антенн.

Заявленное устройство АР иллюстрируется чертежами, на которых показано: фиг.1 - эквивалентная схема перестраиваемой по частоте линейки антенной решетки на щелевых антеннах; фиг.2 - эквивалентная схема неподвижной АР, обеспечивающей круговой обзор по азимуту; фиг.3 - ДН решетки для поперечного и продольного положений максимумов приема.

Эквивалентная схема перестраиваемой по частоте линейки АР из двух зависимых антенн показана на фиг.1. Приведенные щелевые антенны имеют РЭ в виде дисков - 1, подключенные к входу АУ-2 - независимой антенны и АУ-3 зависимых антенн. Использованы КЭ в виде дисков с бортами - 4 независимой и зависимой антенн, находящиеся в раскрывах углублений противовеса - 5, подключенных непосредственно и через соединительную линию - 6 к дополнительному выходу - 7 у АУ-2, в которую также включена и ПЛЗ-8. Далее у АУ-2 имеется основной выход - 9, с которого снимается принятый сигнал антенны с круговой ДН в широкой полосе рабочих частот, а с выходов АУ-3 зависимых антенн снимаются выходные напряжения первого и второго частотных диапазонов АР.

Заявленная перестраиваемая АР работает следующим образом (см. фиг.1). Падая на решетку под азимутальным углом ψ от нормали к базе d, вертикальная компонента электрического поля наводит на РЭ-1 некоторый потенциал принимаемого сигнала. На дополнительном выходе - 7 у АУ-2 формируется напряжение, близкое к входному по амплитуде и фазе. Затем это напряжение подается непосредственно к КЭ-4 независимой антенны, при этом между напряжениями на РЭ и КЭ этой антенны разность фаз Δφ-0, что приводит к отсутствию емкостных токов между РЭ и противовесом, увеличению ее действующей высоты как одиночной антенны с круговой ДН на выходе - 9. С выхода - 7 через ПЛЗ - 8 и соединительную линию - 6 напряжение подается также и на КЭ - 4 зависимых антенн. При этом между их РЭ и КЭ возникают разности фаз Δφ (ψ, λ, d, l, n) см. (2). Для длин волн первого λ₁, и второго λ₂ частотных диапазонов в линейке АР из условий выполнения равенств для максимума приема ψ=0 (λ_1,2=ln), а для ψ=90 (λ_1,2=ln+d) определяем элементы конструкции АР. То есть в одном случае можно иметь несколько зависимых антенн, имеющих различные величины d, в другом случае при одной зависимой антенне необходимо иметь несколько соединительных линий с различными l и n, которые могут по отдельности включаться в цепь питания КЭ. Для плавной частотной перестройки внутри частотных диапазонов можно использовать ПЛЗ-8. Однонаправленность приема АР при ψ=90 обусловлена тем, что при падении поля со стороны независимой антенны, то направления распространения поля в свободном пространстве и в соединительной линии совпадают, а в случае падения со стороны зависимой антенны их направления распространения противоположны, что и приводит к различным величинам Δφ.

На фиг.2 приведена схема неподвижной АР, способной осуществлять круговой обзор по азимуту. Конструктивно она состоит из нескольких линеек АР, приведенных на фиг.1, которые имеют общую независимую антенну с АУ-2, и связанных с ней линейки с зависимыми антеннами, расположенными по кругу на расстояниях d, которые определяются рабочими длинами волн λ. С помощью коммутирующего устройства - 10 на его выход по отдельности подключаются выходы с АУ зависимых антенн и по максимальной величине принятого сигнала определяется пеленг на его источник. Возможно ситуация когда за время обхода всех зависимых антенн электронным коммутатором интенсивность источника изменится, что приведет к ошибке в пеленгации. Для устранения этой ошибки с независимой антенны АУ-2, имеющей круговую ДН, снимается реперный сигнал, относительно которого и происходит сравнение 11 уровней сигналов от зависимых антенн. С помощью коммутатора - 10 с каждой линейки АР сигнал снимается по отдельности, а отсюда физика их работы одинакова с вышеописанной перестраиваемой по частоте линейки АР.

Промышленная применимость и преимущества заявленной АР относительно прототипа подтверждены расчетными данными. Степень однонаправленности приема характеризуется отношением уровней максимального приема в ДН к углу с противоположного направления и в АР с компенсацией определяется величиной $$Q=\frac{{С}_{р-к}}{{С}_{в}+{С}_{вх}}$$ . На фиг.3 приведены ДН на выходе АУ зависимой антенны для поперечного приема с $$\frac{d}{\lambda }=\mathrm{0,5}$$ кривая 1 и продольного $$\frac{d}{\lambda }=\mathrm{0,33}$$ кривая 2 со следующими общими параметрами n=2, d=l, Q=1. Из фиг.3 видно, что ДН поперечного приема имеет выраженную остроконечную форму с шириной лепестка максимума приема 10 градусов на уровне 3 дБ, а при продольном падении поля относительно базы имеется однонаправленный прием с лепестковой ДН. В качестве примера при Q=1; 6; 10 величины отношений этих уровней для ψ=90 составляют 2,9; 9,1; 20; соответственно. Приведены сравнительные расчеты полосы пропускания прототипа и предлагаемой АР, из которых следует, что для ψ=0 имеем ΔF=12 МГц и 20 МГц, а при ψ=90 имеем ΔF=6,2 МГц и 13,3 МГц, соответственно. Расчетные данные по частотной перестройки АР при неизменной базе d=1 м и переменной величине n в пределах 4≤n≤1,4, что соответствует изменению диапазона рабочей частоты для ψ=0 в пределах 75≤f_p, МГц ≤214, а для ψ=90 имеем 60≤f_p, МГц ≤125. Это возможно осуществить либо с помощью нескольких подключенных соединительных линий с различными n, и работающих по отдельности, либо использовать ПЛЗ с изменяемым временем задержки 4,6≤t₃, нсек ≤134. В случае неизменной n=1,4, но переменной длины l соединительной линии при начальной величине d=1 м и отношениями $$\frac{l}{d}=1;2;4$$ , то для ψ=0 имеем f_p, МГц = 214; 107; 53,6, а для ψ=90 имеем f_p, МГц = 125; 79; 45,5, соответственно. Для частотной перестройки АР можно применять и комбинации вышеприведенных способов.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для приема в радиовещании, телевидении и пеленгации. Техническим результатом является частотная перестройка решетки, расширение ее полосы и повышение точности пеленга. Антенная решетка обеспечивает узконаправленный поперечный (менее 10° на уровне 3 дБ) и однонаправленный продольный (более 5 раз отношения) прием вертикально и горизонтально поляризованных полей. Антенная решетка содержит линейку связанных активных антенн с компенсацией, каждая антенна содержит рабочий электрод, соединенный с входом антенного усилителя, компенсирующий электрод между рабочим электродом и противовесом, к дополнительному выходу антенного усилителя независимой антенны, имеющей коэффициент передачи по напряжению, близкий к единице, подключены компенсирующий электроды независимой, а через соединительную линию и зависимой антенны, с антенного усилителя которой снимается выходной сигнал решетки. В соединительную линию включена перестраиваемая линия задержки. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Антенная решетка, состоящая из линейки связанных активных антенн с компенсацией, каждая антенна содержит рабочий электрод, соединенный с входом антенного усилителя, компенсирующий электрод, между рабочим электродом и противовесом, отличающаяся тем, что к дополнительному выходу антенного усилителя независимой антенны, имеющей коэффициент передачи по напряжению, близкий к единице, подключены компенсирующие электроды независимой, а через соединительную линию и зависимой антенны, с антенного усилителя которой снимается выходной сигнал решетки.

2. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что антенный усилитель независимой антенны имеет основной выход, с которого снимается сигнал, имеющий круговую диаграмму направленности приема для устройства сравнения.

3. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что в соединительную линию включена перестраиваемая линия задержки.

4. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что имеется несколько различных соединительных линий, которые могут по отдельности включаться в цепь питания компенсирующего электрода зависимой антенны.

5. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что в линейке связанных антенн зависимых антенн может быть несколько.

6. Антенная решетка по п.5, отличающаяся тем, что вокруг общей независимой антенны располагаются линейки со связанными с ней зависимыми антеннами, а выходы их антенных усилителей подключены к входам управляемого устройства коммутирующего принятые сигналы на его общий выход.

7. Антенная решетка по п.6, отличающаяся тем, что выходные сигналы с общего выхода управляемого устройства, коммутирующего принятые решеткой сигналы, и с основного выхода антенного усилителя независимой антенны подаются на устройство сравнения.

8. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что в антенном усилителе независимой антенны имеются дополнительные радиотракты усиления с коэффициентом передачи сигнала по напряжению, близким к единице, при этом их входы подключены к рабочему электроду этой же антенны, а выходы через соединительные линии подключены к компенсирующим электродам зависимых антенн.