ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА НАКЛОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИЗ 2·N-ПАР V-ОБРАЗНЫХ ВИБРАТОРОВ, НАПРАВЛЕННЫХ В ОДНУ СТОРОНУ В ПРОСТРАНСТВЕ Российский патент 2015 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к области приемопередающих антенных решеток для ретрансляторов связи, находящихся на стратосферных предкосмических зондах и работающих на наклонной и круговой поляризации электромагнитных волн [1-11], и может быть использовано в комплексах мониторинга чрезвычайных ситуаций и 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 №315128 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 линейных вибраторов или волноводов, соединенных согласованными трактами одинаковой электрической длины (патент США №2908002, 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.

Целью изобретения является создание приемопередающей 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 все антенные излучатели выполнены в виде V-образных вибраторов с ортогональными плечами, каждый антенный излучатель N-пары дополнительно содержит второй V-образный вибратор с ортогональными плечами, соединенный противофазно с первым V-образным вибратором, когда первое левое плечо первого V-образного вибратора отрицательного потенциала первого излучателя N-пары соединено со вторым правым плечом второго V-образного вибратора отрицательного потенциала первого излучателя N-пары, а второе правое плечо первого V-образного вибратора положительного потенциала первого излучателя N-пары соединено с первым левым плечом второго вибратора положительного потенциала первого излучателя N-пары, при этом плечи вибраторов первого излучателя N-пары соединены друг с другом через трансформатор импедансов и через боковые плечи микрополоскового делителя СВЧ мощности, среднее плечо которого подключено к СВЧ-тракту в виде коаксиального кабеля, соединено со средним плечом микрополоскового делителя СВЧ мощности второго излучателя N-пары, который дополнительно содержит второй V-образный вибратор с ортогональными плечами, соединенными противофазно с первым V-образным вибратором второго излучателя N-пары, когда первое левое плечо первого V-образного вибратора отрицательного потенциала второго излучателя N-пары соединено со вторым правым плечом второго V-образного вибратора отрицательного потенциала второго излучателя N-пары, а второе правое плечо первого вибратора положительного потенциала второго излучателя N-пары соединено с первым левым плечом второго V-образного вибратора положительного потенциала второго излучателя N-пары, при этом плечи вибраторов второго излучателя N-пары соединены друг с другом через трансформатор импедансов и через боковые плечи микрополоскового делителя СВЧ мощности, все V-образные дипольные антенны всех излучателей расположены на одной оси в пространстве так, что плечи вибраторов составляют угол альфа, равный от 30° до 60° (α = от 30° до 60°), с продольной осью решетки устройства и угол гамма, равный от 10° до 89° (γ = от 10° до 89°), с поперечной осью решетки устройства, расположенной ортогонально раскрыву, апертуре решетки, вибраторы первого излучателя первой-пары находятся в плоскости вибраторов первого излучателя N-пары на прямой между ними, вместе они образуют левую половину апертуры, вибраторы второго излучателя первой-пары находятся в плоскости вибраторов второго излучателя N-пары на прямой между ними, вместе они образуют правую половину апертуры, левая половина апертуры и правая половина апертуры образуют раскрыв антенной решетки устройства в виде клина с углом при вершине β, равным от 10° до 180° градусов (β = от 10° до 180°), кроме того, дополнительно содержит полупроводниковые СВЧ усилители-модуляторы, встроенные в согласованные СВЧ тракты и подключенные к модулятору пульта управления и соединенному с источником питания, кроме того дополнительно содержит металлизированный рефлектор, находящийся над диполями на расстоянии L, равном одной четвертой средней длины рабочего диапазона волн, кроме того, основание антенной решетки представляет аэродинамический обтекаемый корпус, имеющий форму в виде планера «единое крыло» с вертикальным аэродинамическим хвостовым стабилизатором и радиопрозрачным обтекателем вибраторных антенн решетки.

На фиг.1 представлена конструкция заявляемого устройства, где обозначено:

1 - основание,

2, 4 - левое и правое плечи первого V-образного вибратора первого излучателя N-пары,

3, 5 - правое и левое плечи второго V-образного вибратора первого излучателя N-пары,

6 - два трансформатора импедансов первого излучателя, каждый в виде полоскового трехшлейфового трансформатора с короткозамкнутыми на концах шлейфами [3],

7 - делитель СВЧ мощности первого излучателя, в виде полоскового «двукратного» делителя мощности пополам [3],

8 - СВЧ-тракт в виде коаксиального кабеля,

9 - два трансформатора импедансов второго излучателя, каждый в виде полоскового трехшлейфового трансформатора с короткозамкнутыми на концах шлейфами [3],

10 - делитель СВЧ мощности второго излучателя, в виде полоскового «двукратного» делителя мощности пополам [3],

11, 13 - первое левое и второе правое плечи первого V-образного вибратора второго излучателя N-пары,

12, 14 - второе правое и первое левое плечи второго V-образного вибратора второго излучателя N-пары,

15 - полупроводниковые СВЧ усилители-модуляторы, встроенные в согласованные СВЧ тракты,

16 - модулятор пульта управления,

17 - источник питания,

18 - металлизированный рефлектор, находящийся над диполями на расстоянии L, равном одной четвертой средней длины рабочего диапазона волн.

На фиг.2 представлен вид с боку с частичным вырезом конструкции заявляемого устройства, где показан угол гамма, равный от 10° до 89° (γ = от 10° до 89°), с поперечной осью решетки устройства, расположенной ортогонально раскрыву, апертуре решетки. Показан угол бета, причем левая половина апертуры и правая половина апертуры образуют раскрыв антенной решетки устройства в виде клина с углом при вершине β, равным от 10° до 180° градусов (β = от 10° до 180°).

Конструкция заявляемого устройства представляет и содержит следующее.

Приемопередающая антенная решетка жестко закреплена на основании п.1 фиг.1, и состоит из N-пар антенных излучателей в виде V-образных вибраторов с плечами п.2 и п.4, соединенных с помощью согласованных СВЧ-трактов п.8 одинаковой электрической длины, каждый антенный излучатель N-пары дополнительно содержит второй V-образный вибратор с плечами п.3 и п.5, соединенный противофазно с первым V-образным вибратором, когда первое левое плечо первого V-образного вибратора отрицательного потенциала первого излучателя N-пары соединено со вторым правым плечом второго V-образного вибратора отрицательного потенциала первого излучателя N-пары, а второе правое плечо первого V-образного вибратора положительного потенциала первого излучателя N-пары соединено с первым левым плечом второго V-образного вибратора положительного потенциала первого излучателя N-пары, при этом плечи вибраторов первого излучателя N-пары соединены друг с другом через трансформаторы импедансов п.6 и через боковые плечи микрополоскового делителя СВЧ мощности п.7 первого излучателя N-пары, среднее входное плечо которого подключено к СВЧ-тракту в виде коаксиального кабеля п.8, соединено со средним входным плечом микрополоскового делителя СВЧ мощности п.10 второго излучателя N-пары, который дополнительно содержит второй V-образный вибратор с плечами п.12 и п.14, соединенный противофазно с первым V-образным вибратором с плечами п.11 и п.13, второго излучателя N-пары, когда первое левое плечо первого V-образного вибратора отрицательного потенциала второго излучателя N-пары соединено со вторым правым плечом второго V-образного вибратора отрицательного потенциала второго излучателя N-пары, а второе правое плечо первого V-образного вибратора положительного потенциала второго излучателя N-пары соединено с первым левым плечом второго V-образного вибратора положительного потенциала второго излучателя N-пары, при этом плечи вибраторов второго излучателя N-пары соединены друг с другом через два трансформатора импедансов п.9 и через боковые плечи микрополоскового делителя СВЧ мощности п.10, все линейные дипольные антенны всех излучателей расположены на одной оси в пространстве так, что плечи вибраторов составляют угол альфа, равный от 30° до 60° (α = от 30° до 60°), с продольной осью решетки устройства и угол гамма, равный от 10° до 89° (γ = от 10° до 89°), с поперечной осью решетки устройства, расположенной ортогонально раскрыву, апертуре решетки, кроме того, дополнительно содержит полупроводниковые СВЧ усилители-модуляторы п.15, встроенные в согласованные СВЧ тракты и подключенные к модулятору п.16 пульта управления и соединенному с источником питания п.17, кроме того, дополнительно содержит металлизированный рефлектор п.18, находящийся над диполями на расстоянии L, равном одной четвертой средней длины рабочего диапазона волн, кроме того, основание антенной решетки представляет аэродинамический обтекаемый корпус с радиопрозрачными диэлектрическими окнами для вибраторов антенн, имеющий форму в виде планера «единое крыло» с вертикальным аэродинамическим хвостовым стабилизатором.

Вибраторы первого излучателя 1-пары находятся в плоскости вибраторов первого излучателя N-пары на прямой между ними, вместе они образуют левую половину апертуры заявляемого устройства. Вибраторы второго излучателя 1-пары находятся в плоскости вибраторов второго излучателя N-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°).

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Заявляемое устройство имеет V-образные вибраторы, каждое плечо которых работает на ортогональных поляризациях, следовательно, заявляемое устройство в целом работает на наклонной поляризации.

Предложенное устройство имеет антенные излучатели N-пары в виде двух V-образных вибраторов, плечи которых возбуждаются противофазно в пространстве.

Диаграммы направленности этих антенных излучателей заявляемого устройства имеют ширину 135°, диаграммы обратного рассеяния заявляемого устройства имеют ширину более 160° на наклонной поляризации электромагнитных волн за счет наклоненных к поперечной оси вибраторов излучателей.

Диаграммы направленности антенных излучателей прототипа имеют ширину 45° и диаграммы обратного рассеяния тоже имеют ширину 45° и прототип не работает на наклонной поляризации электромагнитных волн.

Заявляемое устройство работает на наклонной поляризации электромагнитных волн и обеспечивает приемопередачу сигнала строго в обратном направлении, который усиливается и модулируется с помощью СВЧ диодов переключательного типа или генераторных и усиливающих СВЧ диодов, подключенных к НЧ модулятору информационного сигнала и установленных в волноводных трактах, т.е. обеспечивается ретрансляция, модуляция и усиление сигнала.

Заявляемое устройство создает на наклонной поляризации электромагнитных волн усредненную диаграмму обратного рассеяния шириной Δφ_ЗУ, которая более чем в три раза шире, чем диаграмма обратного рассеяния устройства прототипа Δφ_прот, т.е.

Δφ_ЗУ≥3φ_прот.

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

Источники информации

1. http://www.innovaterussia.ru/project/front/16108. И.С. Еремин Saint Peresburg Balloon Experiment - Стратосферный зонд.

2. B.O. Кобак. Радиолокационные отражатели. - М.: Сов. радио, 1975 г.

3. Т.И. Изюмова. Волноводы, коаксиальные и полосковые линии. - М.: Энергия, 1975.

4. Огурцов Е.С., Сухинов А.И., Огурцов С.Ф. Патент на изобретение №2428776 «Самофазирующаяся приемопередающая антенная решетка из N-пар скошенных волноводов в разные стороны». М.: ФГУ ФИПС, Бюллетень №25 от 10.09.2011.

5. Огурцов Е.С., Сухинов А.И., Чистяков А.Е. Построение дискретной математической модели излучения электромагнитных волн линейной антенной решеткой из скошенных волноводов. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2011. Т.121. №8. С.129-139.

6. Огурцов Е.С., Огурцов С.Ф. Плоская антенная решетка из N пар скошенных в Е-плоскости волноводов для информационных систем энергетики. Южного федерального университета. Технические науки. 2010. Т.102. №1. С.197-201.

7. Огурцов Е.С. Исследование диаграмм рассеяния и направленности азимутальной антенной решетки из скошенных волноводов в меридиональной плоскости, для случая H-поляризованной волны. Известия Южного федерального университета. Технические науки, Таганрог, 2008. Т.88. №11. С.34-35.

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

9. Огурцов Е.С. Исследование и анализ характеристик излучения и рассеяния линейной антенной решетки из скошенных волноводов, в случае E-поляризованной волны. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2009. Т.90. №1. С.50-59.

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

11. Огурцов Е.С. Линейная двумерная антенная решетка из N-пар скошенных в Е-плоскости волноводов для информационных систем. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2010. Т.103. №2. С.35-39.

Использование: для приема и передачи сигнала при измерении диаграмм вторичного излучения антенн. Сущность изобретения заключается в том, что приемопередающая антенная решетка вибраторов, жестко закрепленная на основании, состоящая из N-пар антенных излучателей, соединенных с помощью согласованных СВЧ-трактов одинаковой электрической длины, при этом все антенные излучатели выполнены в виде V-образных вибраторов, каждый антенный излучатель N-пары дополнительно содержит второй V-образный вибратор, соединенный противофазно с первым V-образным вибратором, когда первое левое плечо первого V-образного вибратора отрицательного потенциала первого излучателя N-пары соединено со вторым правым плечом второго V-образного вибратора отрицательного потенциала первого излучателя N-пары, а второе правое плечо первого V-образного вибратора положительного потенциала первого излучателя N-пары соединено с первым левым плечом второго вибратора положительного потенциала первого излучателя N-пары. Технический результат: обеспечение возможности создания приемопередающей антенной решетки, имеющей более широкую диаграмму обратного рассеяния. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Приемопередающая антенная решетка вибраторов, жестко закрепленная на основании, состоящая из N-пар антенных излучателей, соединенных с помощью согласованных СВЧ-трактов одинаковой электрической длины, отличающаяся тем, что все антенные излучатели выполнены в виде V-образных вибраторов, каждый антенный излучатель N-пары дополнительно содержит второй V-образный вибратор, соединенный противофазно с первым V-образным вибратором, когда первое левое плечо первого V-образного вибратора отрицательного потенциала первого излучателя N-пары соединено со вторым правым плечом второго V-образного вибратора отрицательного потенциала первого излучателя N-пары, а второе правое плечо первого V-образного вибратора положительного потенциала первого излучателя N-пары соединено с первым левым плечом второго вибратора положительного потенциала первого излучателя N-пары, при этом плечи вибраторов первого излучателя N-пары соединены друг с другом через трансформатор импедансов и через боковые плечи делителя СВЧ мощности, среднее плечо которого подключено к СВЧ-тракту в виде коаксиального кабеля, соединено со средним плечом делителя СВЧ мощности второго излучателя N-пары, который дополнительно содержит второй V-образный вибратор с ортогональными плечами, соединенными противофазно с первым V-образным вибратором второго излучателя N-пары, когда первое левое плечо первого V-образного вибратора отрицательного потенциала второго излучателя N-пары соединено со вторым правым плечом второго V-образного вибратора отрицательного потенциала второго излучателя N-пары, а второе правое плечо первого вибратора положительного потенциала второго излучателя N-пары соединено с первым левым плечом второго V-образного вибратора положительного потенциала второго излучателя N-пары, при этом плечи вибраторов второго излучателя N-пары соединены друг с другом через трансформатор импедансов и через боковые плечи делителя СВЧ мощности, все V-образные вибраторы, дипольные антенны всех излучателей расположены на одной оси в пространстве так, что плечи вибраторов составляют угол альфа, равный от 30° до 60° (α=от 30° до 60°), с продольной осью решетки устройства и угол гамма, равный от 10° до 89° (γ=от 10° до 89°), с поперечной осью, расположенной ортогонально раскрыву, апертуре, вибраторы первого излучателя первой-пары находятся в плоскости вибраторов первого излучателя N-пары на прямой между ними, вместе они образуют левую половину апертуры, вибраторы второго излучателя первой-пары находятся в плоскости вибраторов второго излучателя N-пары на прямой между ними, вместе они образуют правую половину апертуры, левая половина апертуры и правая половина апертуры образуют раскрыв антенной решетки устройства в виде клина с углом при вершине β, равным от 100 до 180° градусов (β=от 10° до 180°).

2. Приемопередающая антенная решетка вибраторов по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит полупроводниковые СВЧ усилители-модуляторы, встроенные в согласованные СВЧ тракты и подключенные к модулятору пульта управления и соединенному с источником питания.

3. Приемопередающая антенная решетка вибраторов по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит металлизированный рефлектор, находящийся над диполями.

4. Приемопередающая антенная решетка вибраторов по п.1, отличающаяся тем, что основание антенной решетки представляет аэродинамический обтекаемый корпус, имеющий форму в виде планера «единое крыло» с вертикальным аэродинамическим хвостовым стабилизатором и радиопрозрачным обтекателем вибраторных антенн.