АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛА Российский патент 2015 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относиться к радиотехнике, предназначено для прямого преобразования энергии электромагнитного поля СВЧ диапазона радиоволн в постоянный электрический ток и может быть использовано для регистрации зондирующих сигналов РЛС, для поиска и обнаружения источников излучения, а также с целью мониторинга электромагнитной обстановки.

Известна антенна с обработкой сигнала типа «волновой канал» [1, 2] представляющая линейку полуволновых вибраторов, размещенных комплементарно в одной плоскости. Недостатком такой антенны является сложность конструкции, выражающаяся в необходимости использования дополнительной приемной антенны, регистрирующей переизлучение «волнового канала».

Известна антенна с обработкой сигнала [3], в которой обработка происходит путем прямого некогерентного детектирования выходного напряжения вибраторов, причем детектор включен в разрыв между двумя диполями длиной по l=λ/4. Недостатком устройства является низкая выходная мощность антенны.

Наиболее близким по технической сущности устройством является антенна с обработкой сигнала типа «многорядной синфазной решетки», состоящая из М рядов, в каждом из которых размещены N вибраторов [4]. Недостатком данного устройства является сложность осуществления синфазных связей между вибраторами многорядной решетки и ее узкополосность.

Технический результат изобретения выражается в простоте конструкции, высокой выходной мощности антенны, оптимальном выходном сопротивлении, согласуемом с сопротивлением нагрузки, а также высокой надежности работы антенны.

Задача, направленная на достижение технического результата, решается путем введения в антенну с обработкой сигнала, содержащую М рядов полуволновых диполей, в каждом из которых имеется N вибраторов, (N-1)М детекторных диодов таким образом, что в каждом ряду (N-1) детектор соединяют между собой концы соседних вибраторов последовательно и однополярно, а выходы М рядов соединены между собой параллельно и однополярно.

Сущность поясняется чертежами.

Фиг.1. Схема устройства многорядной синфазной антенной решетки, состоящей из полуволновых вибраторов.

Фиг.2. Диаграммы распределения напряжения и тока вдоль полуволнового вибратора (а) и полуволнового диполя (б).

Фиг.3. Схема устройства четырехрядной антенной решетки (M=4), в каждом ряду которой имеется (N=3) полуволновых (l=λ/2) вибраторов с некогерентной обработкой сигнала, где:

1 - полуволновый вибратор длиной l=λ/2;

2 - диодный детектор;

3 - проводники, соединяющие однополярные выходы рядов между собой;

4 - выход антенны.

Многорядная синфазная антенная решетка, схема устройства которой дана на фиг.1, выбранная в качестве прототипа, состоит из трех рядов, содержит по три полуволновых вибраторов в каждом из них, позволяет усилить принятый сигнал в 9 раз за счет сужения главного лепестка диаграммы направленности приема антенны. Синфазное (когерентное) сложение мощности отдельно принятых сигналов осуществляется с помощью отрезков коаксиального кабеля определенной длины, вследствие чего антенна являются узкополосной.

Широкое применение полуволновых вибраторов обусловлено их высокой эффективностью извлечения энергии электромагнитного поля, как показано на фиг.2а, когда пучность тока достигает своего максимума в средней части вибратора, а максимальная разность потенциала (напряжения) на его концах. Обычно на практике, например, как в изобретении [3], отбор энергии сигнала от вибратора осуществляется путем разрыва вибратора в пучности тока (точке 0) и подключением к нему нагрузки (диодного детектора), как показано на фиг.2б. В последнем случае полуволновый вибратор трансформируется в полуволновый диполь, состоящий из двух вибраторов длиной по l=λ/4, вследствие чего максимум разности потенциалов между концами полуволнового диполя составит величину

тогда как в первом случае (фиг.2, а)

Поскольку мощность сигнала пропорциональна квадрату напряжения (при одном и том же сопротивлении нагрузки), то вариант на фиг.2б имеет разность потенциалов (напряжений) в $$\sqrt{2}$$ раз меньше, следовательно, в два раза проигрывает по выходной мощности.

Именно поэтому максимум разности потенциалов (напряжения) между концами соседних вибраторов каждого ряда антенной решетки достигается путем соединения вибраторов, как представлено на фиг.3, где концы соседних вибраторов 1 в каждом ряду соединены между собой диодными детекторами 2, включенными последовательно и однополярно по постоянному току. Однополярные выходы всех рядов соединены между собой параллельно с помощью электрических проводников 3 и подведены к контактам 4, соединяемых с оконечной нагрузкой антенны.

В общем случае многорядная антенная решетка содержит М рядов, в каждом из которых N полуволновых вибраторов, вследствие чего в каждом ряду необходимо включить (N-7) диодных детекторов, общее число которых в антенной решетке составит (N-1)M. В этом случае, если выходное напряжение одного диодного детектора равно U₁, то при наличии в ряду (N-1) детекторов выходное напряжение одного ряда составит величину

Из (3) следует, что выигрыш в увеличении выходного напряжения одного ряда растет пропорционально числу вибраторов в нем, но значительному росту выходного напряжения препятствует одновременное увеличение внутреннего сопротивления детекторов одного ряда. Так, если внутреннее сопротивление одного детектора равно R_i, то тогда выходное сопротивление одного ряда составит

Современные точечные и микросплавные детекторные диоды на основе германия, арсенида галлия и кремния имеют внутреннее сопротивление 5-10 кОм в режиме малого сигнала и 500-1000 Ом в режиме большого сигнала. Детекторы на обращенном туннельном диоде на основе арсенида галлия в обоих режимах имеют внутреннее сопротивление в пределах 300-1000 Ом. Очевидно, что при большом числе вибраторов в одном ряду (N≥10) внутреннее сопротивление одного ряда может достигать 50-100 кОм в режиме малого сигнала, что может затруднить оптимальное согласование выхода антенны с нагрузкой, когда требуется выполнение равенства выходного сопротивления с сопротивлением нагрузки:

Еще большее рассогласование R_вых и R_H возникает в случае последовательного однополярного соединения всех М рядов между собой, когда

Например, если (N-1)=М, то тогда

Устранить указанный недостаток можно, если М рядов соединить между собой не последовательно, а параллельно однополярно. Тогда выходные напряжения всех рядов, включенных параллельно друг другу, будет равно

а выходное сопротивление

Таким образом, рациональным выбором чисел N и М можно добиться выполнения условия оптимального согласования выходного сопротивления антенны и нагрузки, путем достижения равенства (5) и (10):

Сочетание последовательного соединения детекторов в ряду и параллельное соединение выходов рядов между собой значительно повышает надежность работы антенны в случае выгорания или иной неисправности одного или нескольких диодов. Например, в случае разрыва последовательной цепи одного ряда нормальная работа других рядов будет продолжена в рабочем режиме. Аналогично будет сохранена работоспособность антенны при коротком замыкании одного диода.

Работает антенна следующим образом (фиг.3). Электромагнитное поле с горизонтальной поляризацией воздействует на вибраторы 1. Разность потенциалов на концах соседних вибраторов одного ряда детекторных диодов 2 и выпрямленное напряжение диодов одного ряда складывается последовательно и однополярно. В результате выходное напряжение каждого ряда соответствует (3). За счет однополярного параллельного соединения М рядов между собой выходное напряжение антенны соответствует (3), но зато выходное сопротивление, согласно (11) уменьшается в (N-1)М раз по сравнению с выходным сопротивлением одного детектора и тем самым обеспечивается оптимальное согласование антенны с оконечной нагрузкой, подключаемой к клеммам 4.

Рассмотрим пример реализации заявляемого изобретения применительно к диапазону дециметровых и сантиметровых волн (3,0-30,0 см). Основой антенной решетки может быть односторонний фольгированный стеклотекстолит (10-30 см) или специальные виды диэлектрической подложки (3-10 см), например, кварц, поликор, стеатит и др. [5]. Сама технология изготовления печатных плат СВЧ подробно описана в [5]. Эффективность многорядной решетки во многом зависит от типа применяемых детекторных диодов. Наиболее доступными и недорогими являются кремниевые, германиевые и арсенид-галлиевые диоды [6]. Но они обладают существенным недостатком - значительным начальным напряжением открывания диодов: 0,6 В для плоскостных кремниевых и 0,2 В для диффузионных германиевых и арсенид-галлиевых с эффектом Шоттки. От этого недостатка свободны кремниевые точечные и микросплавные смесительные диоды типа 2А102А [6] и арсенид-галлиевые обращенные туннельные диоды типа 3И402 с параллельными буквенными суффиксами (от А до И) [6]. Их достоинство в том, что они не имеют порога открывания тока, поскольку рабочий участок вольт-амперной характеристики начинается с нуля напряжения СВЧ.

В настоящее время чувствительность детекторов на диодах данных типов достигает величина 10^-9 Вт. Для сравнения - чувствительность кремниевых сплавных диодов составляет всего 10^-6 Вт, германиевых и арсенид-галлиевых на основе эффекта Шотки 10^-7-10^-8 Вт. [7].

Из всех рассмотренных типов детекторных диодов предпочтение следует отдать диодам 3И402, имеющих малые размеры и гибкие выводы. Кремниевые смешанные диоды очень чувствительны к перегрузке тока, имеют малый срок службы из-за деградации p-n перехода к конструкцию, непригодного для создания многорядной антенной решетки.

В подтверждение приведенных выше соображений и рекомендаций предполагаемого изобретения была изготовлена шестирядная (М=6) антенная решетка, каждый ряд которой содержат N=6 полуволновых вибраторов и (N-1)=5 детекторных диодов 3И402В, предназначенной для обработки сигналов СВЧ диапазона радиоволн на волне λ=5,6 см. За основу конструкции была принята схема на фиг.3, характерные размеры которой были определены следующим образом:

λ/2=28 мм;

d=8 мм;

(М-1)λ/2=140 мм;

Nλ/2+(N-1)d=168+40=208 мм.

Печатная монтажная плата из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2,0 мм имела размеры 150×220 мм. Ширина токопроводящей поверхности вибраторов была равна 7,0 мм.

Испытания производились путем измерения напряжения холостого тока и тока короткого замыкания каждого ряда в отдельности и всех 6 рядов, включенных параллельно и однополярно относительно друг друга. Источник измерения - рупорная антенна с шириной главного лепестка на уровне половинной мощности 60°, поляризация горизонтальная, длина волны 5,6 см, выходная мощность 1,0 мВт, удаленность - 60 см. В качестве измерителя постоянного напряжения и тока использовался цифровой мультиметр на пределах измерения 0-200 мВ и 0-200 мкА с шагом 0,1 мВ и 0,1 мкА соответственно.

Выходное напряжение холостого тока каждого ряда составляло 42±3 мВ, ток короткого замыкания 14±2 мкА, что соответствовало внутреннему сопротивлению одного ряда примерно 3,0 кОм, а каждого детектора в отдельности 0,6 кОм. При параллельном соединении всех 6 рядов выходное напряжение холостого тока антенны в целом оставалось равным 42 мВ, а ток короткого замыкания увеличился в 6 раз, до 82 мкА. В соответствии с этим внутреннее сопротивление антенны в целом оказалось равным 0,5 кОм, что полностью подтверждает реализуемость антенны с обработкой сигнала заявляемого изобретения.

Литература

1. Воскресенский Д.И. Антенны с обработкой сигнала. - М.: Сайнс-Пресс, 2002.

2. Все об антеннах. - М.: ОНИКС, 2008. (См. с.56-71).

3. Brown W.C. et al., «MICROWAVE TO DC CONVERTER» US Patent 3.434.678, March 25, 1969. (См. FIG.2, FIG.3, FIG.4).

4. Принципы радиолокации. Том 2. - М.: Советское радио, 1949. (См. с.136, 137).

5. Конструирование и расчет полосковых устройств. Под редакцией профессора И.С. Ковалев. - М.: Советское радио, 1974. (См. с.240-250).

6. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник под общей редакцией Н.Н. Горюнова. - М.: Энергоиздат, 1982. (См. с.163-223, с.348-351, с.374, 375).

7. Котт В.М., Гавриков Г.К., Баваров С.Ф. Туннельные диоды в вычислительной технике. - М.: Советское радио, 1967. (с.34-36).

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат выражается в простоте конструкции и высокой выходной мощности антенны, оптимальном выходном сопротивлении, согласуемом с сопротивлением нагрузки, а также высокой надежности работы антенны. Для этого антенная решетка с обработкой сигнала состоит из М=2, 3, 4, … рядов линейных вибраторов, лежащих в одной плоскости и равноудаленных друг от друга на расстояние кратное λ/2, причем в каждом ряду имеется N=2, 3, 4, … вибраторов каждый длиной l=λ/2, а расстояние между концами соседних вибраторов в каждом ряду d<<λ, где λ - длина волны электромагнитного излучения СВЧ диапазона радиоволн, и содержит (N-1)М диодов, распределенных таким образом, что в каждом из М рядов концы соседних вибраторов соединены между собой по постоянному току (N-1) диодами, включенными по постоянному току последовательно и однополярно, а свободные концы крайних вибраторов М рядов соединены между собой параллельно и однополярно и подключены к нагрузке антенны. 4 ил.

Антенная решетка с обработкой сигнала, состоящая из M=2,3,4,… рядов линейных вибраторов, лежащих в одной плоскости и равноудаленных друг от друга на расстояние, кратное λ/2, причем в каждом ряду имеется N=2,3,4,… вибраторов каждый длиной l=λ/2, а расстояние между концами соседних вибраторов в каждом ряду d<<λ, где λ - длина волны электромагнитного излучения СВЧ диапазона радиоволн, отличающаяся тем, что в конструкцию антенны дополнительно включены (N-1)М диодов, распределенных таким образом, что в каждом из М рядов концы соседних вибраторов соединены между собой по постоянному току (N-1) диодами, включенными по постоянному току последовательно и однополярно, а свободные концы крайних вибраторов М рядов соединены между собой параллельно и одпополярно и подключены к нагрузке антенны.