ПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННА Российский патент 2014 года по МПК H01Q3/00 

Изобретение относится к радиоэлектронной аппаратуре, в частности к конструкции передающей антенны для создания радиопомех приемным устройствам радиоэлектронных средств связи, передачи данных, радиоэлектронных и навигационной аппаратуры потребителей сетевых среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем.

Известна станция активных помех наземным и бортовым линиям связи авиации [1], состоящая из передатчика помехового сигнала и двух сменных антенн, имеющих различные диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. При отсутствии априорных сведений о направлении на предполагаемые объекты радиоподавления к передатчику помех подключается всенаправленная в горизонтальной плоскости антенна. При известном направлении на объект радиоподавления к выходу передатчика помех подключается антенна с секторной диаграммой направленности, позволяющая за счет концентрации излучаемой мощности в заданном секторе существенно повысить энергопотенциал станции и увеличить за счет этого дальность и эффективность радиоподавления.

Недостатком такого принципа построения станции помех, когда используются две разнотипные антенны, являются значительные массогабаритные характеристики антенной системы и связанные с этим обстоятельством трудности размещения антенной системы на антенно-мачтовом устройстве станции помех, а также время, необходимое для выполнения процедуры ориентирования антенны на объект радиоподавления с секторной диаграммой направленности в интересах создания повышенной энергетики радиопомехи.

Известна передающая антенна [2], состоящая из излучателей, закрепленных на несущем плоском экране-отражателе, усилителей мощности, фазовращателей и возбудителя.

Данная передающая антенна позволяет осуществлять сложение в пространстве мощностей когерентных электромагнитных волн, генерируемых отдельными каналами формирования - усиления - излучения радиопомех.

Недостатком данной передающей антенны является то, что она имеет несущий плоский экран-отражатель и является передающей антенной направленного действия, а при изменении соотношения фаз на фазовращателях способной изменять угол направления главного лепестка диаграммы направленности в пределах ограничительного углового сектора.

Известен способ формирования диаграммы направленности передающих устройств [3], основанный на пространственном суммировании излучаемой мощности четырех передающих устройств, антенна которых представляет собой фазированную антенную решетку (ФАР), передатчики имеют общий возбудитель и фазосдвигающие элементы в линиях, соединяющих возбудитель с усилителями мощности. При размещении антенн передающих устройств в вершинах квадрата с диагональю, равной λ/2 (λ - длина волны излучаемого сигнала) при отсутствии фазовых сдвигов в фазосдвигающих элементах, система имеет близкую к круговой диаграмму направленности. При распределении фазовых сдвигов сигналов передатчиков вида 0, π/2, π, 3π/2 система излучает в секторах, направленных по диагоналям квадрата с угловыми направлениями, стремящимися к круговой форме максимумов излучения 0°, 90°, 180°, 270°. При распределении фазовых сдвигов сигналов передатчиков вида 0, π/2, π/2, 0 система излучает в секторах с угловыми направлениями максимумов излучения 45°, 135°, 225°, 315°.

Существенным недостатком приведенного способа формирования диаграммы направленности данной передающей антенны является то, что все передающие элементы (мачты, кабели питания, конструктивные элементы крепления), попадающие в зону взаимодействия излучаемых сигналов, ограниченную по периметру сторонами квадрата, в вершинах которого размещены антенны, а по высоте - их вертикальными габаритами, искажают диаграммы направленности антенн и изменяют баланс подводимых питающих токов и наведенных токов, обусловленных излучениями других антенн системы.

К классу антенн, для которых отсутствует необходимость размещения в рабочей области формирования излучаемого поля каких-либо конструктивных элементов, относятся антенны с несимметричным питанием (турникетные, штыревые, коллинеарные). Но всем этим антеннам свойственен существенный недостаток - трудность обеспечения стабильности направления основного лепестка излучения в вертикальной плоскости, особенно в широкой полосе частот.

Предпочтительными с точки зрения стабильности характеристик, удобства подведения питания и крепления являются антенны симметричного питания (полуволновые вибраторы, логопериодические антенны с плоскими и цилиндрическими отражателями). Такие антенны, с одной стороны, формируют симметричное электромагнитное поле, сосредоточенное в области размещения вибраторов, имеют более высокий коэффициент усиления из-за наличия отражателя и удобны с точки зрения упрощения конструкции (излучатели крепятся непосредственно на отражателе, кабели питания антенн убираются из активной зоны за экран-отражатель).

В основу изобретения положена задача устранения вышеизложенных недостатков и создания передающей антенны с быстрым (практически мгновенным) формированием и изменением диаграммы направленности, обеспечивающей работу в следующих режимах:

- режим ненаправленного излучения с круговой в азимутальной плоскости диаграммой направленности;

- режим секторного излучения с повышенным энергопотенциалом и ориентацией максимума излучения секторной диаграммы направленности в одном из заданных направлений - 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°.

Поставленная цель достигается тем, что экран-отражатель выполнен в виде цилиндрической трубы с излучателями, закрепленными на ее поверхности на равных расстояниях от оси цилиндрической трубы в одной плоскости, перпендикулярной оси цилиндрической трубы, обеспечивающими возможность формирования круговой диаграммы направленности излучения при подаче одновременно на все излучатели помеховых сигналов с одинаковой начальной фазой колебания несущей частоты и формирование направленного по положению в азимутальной плоскости диаграммы сектора с повышенным энергопотенциалом излучения при подаче на излучатели помеховых сигналов с заданными соотношениями начальных напряжений и фаз несущей частоты, при этом цилиндрическая труба участвует как в формировании требуемой диаграммы направленности передающей антенны, так и обеспечивает парирование негативного влияния на формирование диаграммы направленности кабелей питания излучающих элементов.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показан общий вид передающей антенны, на фиг.2 показана диаграмма направленности излучения при синфазном питании антенны от четырех усилителей, на фиг.3 показана диаграмма направленности формирования лепестка излучения в направлении 0 град, на фиг.4 показана диаграмма направленности формирования лепестка излучения в направлении 45 градусов, на фиг.5 приведена таблица соотношений начальных напряжений и фаз несущей частоты помехового сигнала при реализации процедуры автоматизированного управления диаграммой направленности излучения, на фиг.6 приведена структурная схема передающей антенны, реализующей соотношения начальных напряжений и фаз несущей частоты помехового сигнала при реализации процедуры автоматизированного управления диаграммой направленности излучения.

Передающая антенна состоит из экрана-отражателя в виде цилиндрической трубы 5, излучателей 1, 2, 3, 4, усилителей мощности 6, 7, 8, 9, блока коммутации задержек сигналов 10, содержащего цифровые линии задержки на быстродействующих СВЧ ключах 10-1, 10-2, 10-3, 10-4 [4], возбудителя-формирователя помехового сигнала 11, устройство управления 12.

Излучатели 1, 2, 3, 4 закреплены на поверхности экрана-отражателя в виде цилиндрической трубы 5 в одной плоскости, перпендикулярной ее оси, на равном расстоянии друг от друга, образуя квадрат с диагоналями 0.5λ_cp, где λ_cp - средняя длина волны рабочего диапазона, через центр которого проходит ось экрана-отражателя. Диаметр экрана-отражателя в виде цилиндрической трубы 5, при котором неравномерность круговой диаграммы направленности не превышает 0,25 дБ, равен 0,2λ_cp, а расстояние от экрана-отражателя в виде цилиндрической трубы 5 до излучателя 1, 2, 3, 4 равно 0,15λ_cp, что соответствует рекомендациям [5] по заданию расстояния между излучателем и отражателем для антенны с рефлектором.

Излучатель 1 соединен с усилителем мощности 8, излучатель 2 соединен с усилителем мощности 7, излучатель 3 соединен с усилителем мощности 6, излучатель 4 соединен с усилителем мощности 5.

Усилители мощности 6, 7, 8, 9 соединены с блоком коммутации задержек сигналов 10, в котором: цифровая линия задержки на быстродействующих СВЧ ключах 10-1 на выходе соединена со входом усилителя мощности 9, а на входе соединена с выходом возбудителя-формирователя помехового сигнала 11; цифровая линия задержки на быстродействующих СВЧ ключах 10-2 на выходе соединена со входом усилителя мощности 8, а на входе соединена с выходом возбудителя-формирователя помехового сигнала 11; цифровая линия задержки на быстродействующих СВЧ ключах 10-3 на выходе соединена с входом усилителя мощности 7, а на входе соединена с выходом возбудителя-формирователя помехового сигнала 11; цифровая линия задержки на быстродействующих СВЧ ключах 10-4 на выходе соединена со входом усилителя мощности 6, а на входе соединена с выходом возбудителя-формирователя помехового сигнала 11.

Возбудитель-формирователь помехового сигнала 11 соединен с блоком управления 12.

Блок управления 12 представляет собой микроЭВМ, выполненную на базе современного микроконтроллера, который соединен линиями передачи данных с источником целеуказания и со всеми исполнительными устройствами, обеспечивающими выполнение функций по реализации заданного режима излучения работы передающей антенны.

Процедура формирования диаграммы направленности состоит в следующем. Все усилители мощности 6, 7, 8, 9 возбуждаются одним возбудителем-формирователем помехового сигнала 11. Сигналы, излучаемые всеми каналами передающей антенны - когерентны, а при подключенных цифровых линиях задержки на быстродействующих СВЧ ключах 10-1, 10-2, 10-3, 10-4 и нулевых задержках - синфазны. Так, для формирования круговой диаграммы направленности блок управления подает команду на включение всех усилителей мощности 6, 7, 8, 9 и включает во всех каналах одну и ту же нулевую задержку. Качество формирования круговой диаграммы направленности зависит от синфазности и от конкретного вида диаграмм направленности отдельных каналов передающей антенны, так как излучение в любом направлении представляет собой сумму векторов излучений всех каналов передающей антенны.

Формирование секторного излучения в направлении 0° производится путем отключения усилителя мощности 6. Систему излучателей 1, 2, 3, 4 в этом случае можно рассматривать как плоскую фазированную антенную решетку (ФАР), состоящую из излучателей 1, 2, 4 со смещенным излучателем 1. Для образования плоской волны в направлении 0° необходимо выровнять фазы излучателей в этом направлении, то есть задержать волну, излучаемую вибратором 1, на время, равное времени прохождения волнового отрезка Т_зад1, которое можно определить по формуле:

$${Т}_{зад1}=\frac{\mathrm{0,25}\lambda cp}{C}$$

где С - скорость распространения электромагнитных волн в среде, окружающей вибраторы.

Формирование секторного излучения в направлении 45° производится путем отключения усилителя мощности 6. Систему излучателей 1, 2, 3, 4 в этом случае можно рассматривать как плоскую фазированную антенную решетку (ФАР), состоящую из излучателей 1, 2, 4 со смещенными излучателями 1 и 2. Для образования плоской волны в направлении 45° необходимо выровнять фазы излучателей в этом направлении, то есть задержать волну, излучаемую вибраторами 1 и 2 на время, равное времени прохождения волнового отрезка Т_зад2, которое можно определить по формуле:

$${Т}_{зад2}=\frac{\mathrm{0,25}\lambda cp\times \mathrm{1,41}}{C}$$

Соотношение начальных напряжений и фаз несущей частоты помехового сигнала для каждого из четырех каналов усиления излучения помехового сигнала при реализации процедуры автоматизированного управления диаграммой направленности характеризуется таблицей 1 на фиг.5.

Данное техническое решение позволяет формировать в азимутальной плоскости в зависимости от ситуации диаграмму направленности, либо максимально приближенную к круговой с равномерным распределением энергопотенциала, либо с повышенным энергопотенциалом в заданном секторе излучения радиопомех.

Литература

1. Оружие и технологии России [Текст]: энциклопедия XXI век / Под общ. Ред. С.Иванова. - М.: Издат. Дом «Оружие и технологии», 20 - Т. 13: Системы управления, связи и радиоэлектронной борьбы. - 2006. - 695 с.: ил. -Указ.: с.690-695.

2. Вендик О.Г. Антенны с немеханическим движением луча: Введение в теорию. М.: Сов. радио, 1965. 360 с.

3. Патент на изобретение №2100879, RU, Способ формирования диаграмм направленности (варианты), МПК⁶ H01Q 21/00, опубликован 27.12.1997.

4. Гончаров И.В. Антенны KB и УКВ. Часть 1. Компьютерное моделирование. MMANA. - М.: ИП РадиоСофт, Журнал «Радио». 2004 - 128 с: ил.

5. Соросовский образовательный журнал, 1997, №2.

Изобретение относится к радиоэлектронной аппаратуре, в частности к конструкции передающей антенны для создания радиопомех приемным устройствам радиоэлектронных средств связи, передачи данных, радиоэлектронных и навигационной аппаратуры потребителей сетевых среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем. Технический результат заключается в формировании в азимутальной плоскости в зависимости от ситуации диаграммы направленности либо максимально приближенной к круговой с равномерным распределением энергопотенциала, либо с повышенным энергопотенциалом в заданном секторе излучения радиопомех. Для этого передающая антенна имеет экран-отражатель, выполненный в виде цилиндрической трубы с излучателями, закрепленными на ее поверхности на равных расстояниях от оси цилиндрической трубы в одной плоскости, перпендикулярной оси цилиндрической трубы, обеспечивающими возможность формирования круговой диаграммы направленности излучения при подаче одновременно на все излучатели помеховых сигналов с одинаковой начальной фазой колебания несущей частоты и формирование направленного по положению в азимутальной плоскости диаграммы сектора с повышенным энергопотенциалом излучения при подаче на излучатели помеховых сигналов с заданными соотношениями начальных напряжений и фаз несущей частоты. При этом цилиндрическая труба участвует как в формировании требуемой диаграммы направленности передающей антенны, так и обеспечении парирования негативного влияния на формирование диаграммы направленности кабелей питания излучающих элементов. 6 ил.

Передающая антенна, содержащая излучатели, закрепленные на несущем экране-отражателе, усилители мощности, возбудитель-формирователь помехового сигнала, отличающаяся тем, что экран-отражатель выполнен в виде цилиндрической трубы с закрепленными на ее поверхности в одной плоскости, перпендикулярной оси цилиндрической трубы, излучателями на равном расстоянии от оси цилиндрической трубы, обеспечивающими возможность формирования круговой диаграммы направленности излучения при подаче одновременно на все излучатели помеховых сигналов с одинаковой начальной фазой колебания несущей частоты и формирование направленного по положению в азимутальной плоскости сектора излучения при подаче на излучатели помеховых сигналов с заданными соотношениями назначенных начальными напряжений и фаз несущей частоты, усилители мощности соединены с блоком коммутации задержки сигналов, в котором: первая цифровая линия задержки на быстродействующих СВЧ ключах на выходе соединена с первым входом усилителя мощности, а на входе соединена с выходом возбудителя-формирователя помехового сигнала; вторая цифровая линия задержки на быстродействующих СВЧ ключах на выходе соединена со вторым входом усилителя мощности, а на входе соединена с выходом возбудителя-формирователя помехового сигнала; третья цифровая линия задержки на быстродействующих СВЧ ключах на выходе соединена с третьим входом усилителя мощности, а на входе соединена с выходом возбудителя-формирователя помехового сигнала; четвертая цифровая линия задержки на быстродействующих СВЧ ключах на выходе соединена с четвертым входом усилителя мощности, а на входе соединена с выходом возбудителя-формирователя помехового сигнала.