СИНФАЗНАЯ ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ ДИАПАЗОННАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2016 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к вибраторным фазированным антенным решеткам (ФАР), и может быть использовано для дальней радиосвязи и безопасности навигации, преимущественно в диапазоне декаметровых (коротких) волн, в том числе для обеспечения радиосвязи Северного морского пути. Изобретение может быть использовано как самостоятельно во вновь возводимых комплексах направленных антенных систем, так и при модернизации существующих вибраторных антенно-фидерных систем на существующих мачтовых устройствах, в связи с перспективой на переход к цифровой пакетной радиосвязи для удаленных объектов в Арктике.

Изобретение направлено на устранение недостатков вибраторных антенн, связанных с их невысоким коэффициентом усиления, а также на улучшение направленных свойств, помехозащиты и упрощение питающих линий, так как признаются вескими практически все направления, позволяющие увеличить эффективность вибраторных антенн, их коэффициент усиления, или упростить питающие линии без заметного ухудшения направленных свойств.

Известны синфазные антенны для использования в диапазоне декаметровых волн в качестве направленных (Чернышов В.П. Антенно-фидерные устройства радиосвязи и радиовещания. - М.: Связь, 1978, стр. 194-195, рис. 8.7). В них синфазные решетки составлены из симметричных вибраторов. Вибраторы выполнены с пониженным волновым сопротивлением с резонансной длиной 2L=0,82λ_ср и расстоянием между этажами равным 0,5λ_.. Наличие в этих антеннах настроенного или апериодического рефлектора позволяет получить одностороннюю направленность.

Недостатками таких антенных решеток является сложность устройств питающих линий для обеспечения синфазности питания всего количества активных вибраторов в рядах и этажах и изначальное исключение возможности раздельного и многократного использования составных симметричных вибраторов как автономных антенн.

Известны антенные решетки - коротковолновые антенны настроенного типа (Марков Г.Т. Антенны. - М., Л.: Гос. Энергоиздат, 1960, стр. 455-460, рис. 11-6-11-8). Основные схемы известных настроенных антенн состоят из рядов полуволновых вибраторов с расстоянием между вибраторами в антенной решетке, равным 0,5λ_ср. Синфазные горизонтальные антенны применяются с рефлектором, представляющим собой точно такое же полотно, как и полотно собственно антенны, расположенное от антенны на расстоянии (0,22-0,25)λ_ср.

Недостатком известных настроенных антенных систем с пассивным рефлектором является увеличенная сложность из-за необходимости использования шлейфа для настройки рефлектора, а с активным рефлектором - применения фазирующих контуров с распределительным фидером, подключенных к питающему фидеру.

Наиболее близким техническим решением, прототипом, является синфазная горизонтальная антенна (Пат. РФ №2050650, опубл. 0.12.1995). Антенна содержит первую линейку симметричных вибраторов длиной 2L=λ_ср, где L - длина плеча симметричного вибратора, a λ_ср - основная длина волны. Вибраторы первой линейки подключены к питающему фидеру и расположены на расстоянии Η=λ_ср над поверхностью земли и на расстоянии 0,25λ_ср от первого пассивного рефлектора, выполненного в виде вертикального плоского экрана из металлических проводов, параллельных линейке симметричных вибраторов. Второй пассивный рефлектор выполнен в виде второй линейки идентичных симметричных вибраторов, расположенной под первой линейкой на расстоянии d=(0,6-0,7)λ_ср от первой, но к вибраторам второй линейки питающий фидер не подключен.

Недостатками прототипа являются материалоемкий первый пассивный рефлектор, никак не используемый, кроме балластного резонансного элемента идентичный первой линейке второй пассивный вибратор, суженный рабочий диапазон длин радиоволн и отсутствие возможностей раздельного и многократного использования составных симметричных вибраторов пассивного рефлектора как самостоятельных антенн.

Задачей изобретения является оптимизация конструктивного выполнения и повышение эффективности использования фазированных антенных решеток на основе использования пассивных направленных переизлучателей при одновременном их применении в качестве самостоятельных антенн.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, состоит в снижении материалоемкости пассивных рефлекторов, повышении и нивелировании коэффициента усиления в рабочем диапазоне длин радиоволн и раздельном и многократном использовании второй линейки направленных переизлучателей как самостоятельных антенн, используемых в качестве второго пассивного рефлектора, при оптимизации конструктивного выполнения ФАР.

Для достижения указанного технического результата в синфазной горизонтальной диапазонной антенной системе, содержащей первую линейку симметричных вибраторов длиной 2L=λ_ср, синфазно подключенных к питающему фидеру и расположенных на расстоянии Η=λ_ср над поверхностью земли и на расстоянии λ_ср/4 от первого пассивного рефлектора, второй пассивный рефлектор выполнен в виде второй линейки симметричных вибраторов, расположенных под первой линейкой на расстоянии λ_ср/2 от нее. При этом первый пассивный рефлектор, выполненный в виде вертикального плоского экрана из металлических горизонтальных проводов, имеет протяженность по вертикали λ_ср/4-λ_ср/2, с уменьшенной материалоемкостью, размещен параллельно и симметрично оси первой линейки симметричных вибраторов. Вторая линейка вибраторов, расположенных под первой линейкой на расстоянии d=λ_ср/2 от нее, состоит из n отдельных симметричных направленных антенн, настроенных для работы с λ_ср/n, где n=1, 2, 3 …, основной длины волны рабочего диапазона. Симметричные направленные антенны выполнены в виде полотен, параллельных поверхности земли, из комбинации плоскостных вибраторов, равнобедренной треугольной рамки с протяженностью периметра, равной λ_ср/n, с размещением основания треугольника под первой линейкой, параллельно оси первой линейки, с проводниками боковых сторон, направленными в обратную сторону от направления приемопередачи, и размещенного под первым пассивным рефлектором шлейф-вибратора, длиной λ_ср/2n, повернутого точками питания в направлении основания треугольника, на расстоянии λ_ср/4 от него и подключенного к нему перекрещенными при коммутации проводниками боковых сторон рамки. К точкам подключения равнобедренного треугольного элемента и шлейф-вибратора отдельных антенн возможна коммутация с подключением независимых отдельных питающих фидеров.

Для дальнейшего повышения и нивелирования коэффициента усиления в ФАР может быть введен третий пассивный рефлектор, примыкающий к плоскости первого пассивного рефлектора и выполненный в виде горизонтального плоского экрана шириной λ_ср/4 из металлических проводов, параллельных поверхности земли и оси первой линейки симметричных вибраторов, размещенный над ней на расстоянии λ_ср/4.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает оптимизацию конструктивного выполнения ФАР за счет упрощения с уменьшением геометрических размеров и материалоемкости первого пассивного рефлектора, повышения технологичности согласования и запитки плеч только первой линейки вибраторов, при размещении синфазной горизонтальной диапазонной антенной системы, вместо классических ФАР в существующие или подобные, вновь вводимые, практически отработанные антенно-мачтовые конструкции, увеличение коэффициента усиления (Ку) и помехозащиты (FB). Проверка параметров и работоспособности во всех возможных версиях осуществлена в широком диапазоне частот в среде программы MMANA и подтверждает достижение заданной цели.

Новизна синфазной горизонтальной диапазонной антенной системы в части устройства усматривается в том, что в качестве второго пассивного рефлектора в виде линейки симметричных вибраторов используются вибраторы, не идентичные вибраторам линейки симметричных вибраторов основного излучателя.

Новизна антенной системы в части устройства усматривается в том, что симметричные вибраторы линейки второго пассивного рефлектора выполнены в виде комбинации треугольной рамки и петлевого шлейф-вибратора с перекрестной между собой коммутацией.

Новизна антенной системы в части устройства усматривается в том, что симметричные вибраторы линейки второго пассивного рефлектора выполнены в виде резонансных направленных антенн с длиной шлейф-вибратора λ_ср/2n и периметром проводников рамки протяженностью λ_ср/n.

Новизна антенной системы в части устройства усматривается в том, что возможно изменение количества симметричных вибраторов линейки второго пассивного рефлектора, выполненных в виде резонансных направленных антенн при n, не равной количеству вибраторов первой линейки симметричных вибраторов, с изменением резонансных размеров последних для изменения с нивелированием рабочей полосы частот всей антенной системы.

Новизна антенной системы в части устройства усматривается в том, что симметричные вибраторы линейки второго пассивного рефлектора, выполненные с увеличенной апертурой, направленной в сторону линейки симметричных вибраторов основного излучателя, повышают эффективность работы антенной системы с увеличением Ку в направлении приемопередачи.

Новизна антенной системы в части устройства усматривается в том, что классический первый пассивный рефлектор выполнен в виде вертикального плоского экрана из металлических проводов и применен только для первой линейки симметричных вибраторов основного излучателя и не используется для второй линейки симметричных вибраторов.

Новизна антенной системы в части устройства усматривается в том, что симметричные вибраторы линейки второго пассивного рефлектора, в зависимости от необходимости частотной коррекции коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот, настраиваются на частоты в рабочей полосе частот, в полосах участков которых требуют повышенных значений Ку и FB.

Новизна антенной системы в части устройства усматривается в том, что в синфазную горизонтальную диапазонную антенную систему введен третий пассивный рефлектор, примыкающий к плоскости первого пассивного рефлектора и выполненный в виде горизонтального плоского экрана шириной λ_ср/4 из металлических проводов, параллельных поверхности земли и первой линейке симметричных вибраторов, размещенный над ней на расстоянии λ_ср/4.

Новизна антенной системы в части устройства усматривается в том, что симметричные вибраторы линейки второго пассивного рефлектора, выполненные в виде резонансных направленных антенн, могут одновременно, при многократном использовании, самостоятельно применяться для других направлений работы.

Сочетание отличительных признаков и свойств, как в заявленном техническом решении, из технической, научной литературы и патентной документации не выявлено, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

Промышленная применимость заявленного технического решения усматривается в сравнительной простоте индивидуального и массового изготовления, внедрения в уже используемые существующие системы и эксплуатации с более высокими электрическими показателями относительно подобных существующих аналогов, возможности использования на промышленной основе и конкурентоспособном уровне.

Предлагаемая синфазная горизонтальная диапазонная антенная система в двух вариантах выполнения в соответствии с заявленной формулой изобретения иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-10.

На фиг. 1 представлен эскиз общего вида заявляемой системы в первом варианте с размещением на мачте с антенным реем, включающем n=2 симметричных направленных антенн второго пассивного рефлектора.

На фиг. 2 представлены графики диаграмм направленностей в горизонтальной и вертикальной плоскостях в первом варианте заявляемой системы, включающей 2 симметричные направленные антенны второго пассивного рефлектора.

На фиг. 3 представлены графики диаграмм направленностей в горизонтальной и вертикальной плоскостях в первом варианте заявляемой системы, включающей 3 симметричные направленные антенны второго пассивного рефлектора.

На фиг. 4 представлены графики изменения Ку и FB к первому варианту заявляемой системы, включающие 2 симметричные направленные антенны второго пассивного рефлектора.

На фиг. 5 представлены графики изменения Ку и FB к первому варианту заявляемой системы, включающие 3 симметричные направленные антенны второго пассивного рефлектора.

На фиг. 6 представлен эскиз общего вида заявляемой системы во втором варианте, включающем n=3 симметричных направленных антенн второго пассивного рефлектора без мачтовых и леерных устройств.

На фиг. 7 представлены графики диаграмм направленностей в горизонтальной и вертикальной плоскостях во втором варианте заявляемой системы, включающей 2 симметричные направленные антенны второго пассивного рефлектора.

На фиг. 8 представлены графики диаграмм направленностей в горизонтальной и вертикальной плоскостях во втором варианте заявляемой системы, включающей 3 симметричные направленные антенны второго пассивного рефлектора.

На фиг. 9 представлены графики изменения Ку и FB ко второму варианту заявляемой системы, включающие 2 симметричные направленные антенны второго пассивного рефлектора.

На фиг. 10 представлены графики изменения Ку и FB ко второму варианту заявляемой системы, включающие 3 симметричные направленные антенны второго пассивного рефлектора.

Заявляемая синфазная горизонтальная диапазонная антенная система по первому варианту, как изображено на фиг. 1, содержит первую линейку 1 симметричных вибраторов с точками питания 2, первый пассивный рефлектор 3 и второй пассивный рефлектор в виде второй линейки 4 симметричных вибраторов. Вторая линейка 4 симметричных вибраторов выполнена в виде полотен, параллельных поверхности земли, из комбинации плоскостных вибраторов, равнобедренной треугольной рамки 5 с основанием треугольника 6 и шлейф-вибратора 7. Проводники боковых сторон треугольника 8 треугольной рамки 5 направлены в обратную сторону от направления приемопередачи и подключены к шлейф-вибратору 7 перекрещенными при коммутации проводниками 8 боковых сторон с образованием точек коммутации 9. Синфазная горизонтальная диапазонная антенная система размещена на мачтах 11 с антенным реем 12 с креплением линеек симметричных вибраторов 1 и 4 с помощью лееров 13. Синфазная горизонтальная диапазонная антенная система по второму варианту, как показано на фиг. 6, дополнена третьим пассивным рефлектором 10, примыкающим к плоскости первого пассивного рефлектора 3.

Синфазная горизонтальная диапазонная антенная система работает следующим образом.

При классическом подходе и синфазной запитке точек питания 2 первая линейка 1 симметричных вибраторов выполняет роль основного излучателя. Вертикальный плоский экран рефлектора 3 обеспечивает однонаправленность излучения первой линейки 1 симметричных вибраторов. Дополнительная линейка 4 симметричных вибраторов второго пассивного рефлектора, к которой не подводится питание, выполняет роль дополнительного излучателя, который переизлучает под действием основного. Общее электромагнитное поле, излучаемое антенной, состоит из суммы полей основного излучателя, первого и второго пассивных рефлекторов. Третий пассивный рефлектор «сжимает» электромагнитное поле в вертикальной плоскости, улучшая направленные характеристики в горизонтальной плоскости с увеличением Ку и FB.

Принцип действия предлагаемой антенной системы в отличие от классических состоит в следующем. Вторая линейка 4 симметричных вибраторов состоит из n отдельных симметричных направленных антенн, настроенных для работы с λ_ср/n, где n=1, 2, 3 …, основной длины волны рабочего диапазона. Это обеспечивается тем, что равнобедренная треугольная рамка 5 с протяженностью периметра, равной λ_ср/n, с проводниками 8 боковых сторон, направленными в обратную сторону от направления приемопередачи, в сторону шлейф-вибратора 7, с длиной λ_ср/2n, повернутого точками питания в направлении основания треугольника 6, находящегося на расстоянии λ_ср/4 от него и подключенного к нему перекрещенными при коммутации проводниками 8 боковых сторон рамки, в комбинации друг с другом синтезируют отдельную направленную антенну. Работа такой комбинации подобна работе шлейф-вибратора 7 в качестве рефлектора, а проводников 8 боковых сторон треугольника в качестве полуромба, с диагональю в виде основания 6 треугольника в качестве директора. Это обуславливает размещение под первым пассивным рефлектором 3, в его вертикальной плоскости, шлейф-вибратора 7, а основание 6 треугольника под первой линейкой 1, параллельно оси первой линейки 1, на расстоянии λ_ср/4 от шлейф-вибратора 7, что в работе обеспечивает направленность каждой треугольно-петлевой антенны. Каждая из направленных треугольно-петлевых антенн второй линейки 4 симметричных вибраторов может одновременно с подключением через точки коммутации 9 с помощью отдельных фидерных линий, при многократном использовании, самостоятельно применяться для других направлений работы.

Параллельно первой линейке симметричных вибраторов линейно расположенные антенны второй линейки, состоящие из полотен, параллельных поверхности земли, из комбинации плоскостных треугольно-петлевых антенн, в отдельности, представляют собой направленные антенны для работы каждой в своем рабочем диапазоне с основной длиной волны λ_ср/n, а в структуре взаимосвязанных резонансных систем для синфазной горизонтальной диапазонной антенной системы в целом как комбинированный дополнительный пассивный переизлучатель, моделирующий дополнительную линейку 4 для работы в диапазоне с λ_ср. За счет увеличенной апертуры, обращенной к основному излучателю, в виде полотен антенн второй линейки 4 симметричных вибраторов, играющих роль пассивного переизлучателя и выраженной направленности в работе второй линейки 4, суммы полей основного излучателя, первого и второго пассивных рефлекторов превышают сумму полей классических ФАР из синфазно запитанных идентичных вибраторов первой и второй линеек. При этом, с учетом того, что при n второй линейки симметричных вибраторов, равном количеству симметричных вибраторов первой линейки, и размерах, соответствующих λ_ср/n, характеристики синфазной горизонтальной диапазонной антенной системы соизмеримы с характеристиками прототипа, как показано на фиг. 2 и 3. При n второй линейки симметричных вибраторов меньше или больше количества симметричных вибраторов первой линейки и пропорциональном в n раз увеличении или уменьшении их размеров происходит увеличение коэффициента усиления в области низких или высоких частот рабочего диапазона. Это объясняется тем, что в общее электромагнитное поле, излучаемое антенной, состоящее из суммы полей основного излучателя, первого и второго пассивных рефлекторов, вторая линейка однонаправленных симметричных антенных вибраторов вносит превалирующий результат по частотному нивелированию, что подтверждается сравнением результатов Ку и FB электронного моделирования в среде программы MMANA фиг. 4 и 5. Дополнительно к этому, такая комбинация двунаправленной с рефлектором и однонаправленной первой и второй линеек симметричных вибраторов синфазной горизонтальной диапазонной антенной системы нестандартно при увеличении направленности в основном направлении приемопередачи изменила направленность в зенит, что при введении третьего пассивного рефлектора, примыкающего к плоскости первого пассивного рефлектора и выполненного в виде горизонтального плоского экрана шириной λ_ср/4 из металлических проводов, параллельных поверхности земли и первой линейке симметричных вибраторов, размещенного над ней на расстоянии λ_ср/4, перераспределяет излучение, еще более повышает коэффициент усиления системы и увеличивает помехозащищенность. Заявляемая синфазная горизонтальная диапазонная антенная система по второму варианту, как изображено на фиг. 6, отличается от первого варианта введением третьего пассивного рефлектора 10. Улучшенные параметры диаграмм направленностей относительно отображенных на фиг. 2 и 3 показаны на фиг. 7 и 8, а увеличенные и сглаженные в рабочем диапазоне Ку и FB показаны на фиг. 9 и 10.

Относительно небольшие габариты, повышенная эффективность и помехозащищенность при прижатой к земле диаграмме показывают, что предлагаемая антенная система может найти широкое применение на передающих и приемных, а с перспективно внедряемыми маломощными передатчиками и премо-передающих декаметровых радиоцентрах для радиотрасс связи средней и увеличенной протяженности. Дополнительно к этому, техническое решение, обеспечивающее повышенную эффективность устройства ФАР с использованием комбинации двунаправленных с рефлектором и однонаправленных антенных вибраторов, не исключает развития нового прикладного направления синтеза ФАР.

Изобретение относится к вибраторным фазированным антенным решеткам. Особенностью заявленной антенной системы является то, что вторая линейка вибраторов, расположенных под первой линейкой на расстоянии d=λ_ср/2 от нее, состоит из n отдельных симметричных направленных антенн, выполненных в виде полотен, параллельных поверхности земли, из комбинации плоскостных вибраторов, равнобедренной треугольной рамки с протяженностью периметра, равной λ_ср/n, с размещением основания треугольника под первой линейкой, параллельно оси первой линейки, с проводниками боковых сторон, направленными в обратную сторону от направления приемопередачи, и размещенного под первым пассивным рефлектором шлейф-вибратора длиной λ_ср/2n, повернутого точками питания в направлении основания треугольника, на расстоянии λ_ср/4 от него и подключенного к нему перекрещенными при коммутации проводниками боковых сторон рамки. Техническим результатом является снижение материалоемкости пассивных рефлекторов, повышение и нивелирование коэффициента усиления в рабочем диапазоне длин радиоволн. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Синфазная горизонтальная диапазонная антенная система, содержащая первую линейку симметричных вибраторов длиной 2L=λ_ср, где L - длина симметричного вибратора, λ_ср - основная длина волны рабочего диапазона, синфазно подключенных к питающему фидеру и расположенных на расстоянии H=λ_ср над поверхностью земли и на расстоянии λ_ср/4 от первого пассивного рефлектора, выполненного в виде вертикального плоского экрана из металлических проводов, параллельных линейке симметричных вибраторов, и второго пассивного рефлектора, выполненного в виде второй линейки симметричных вибраторов, расположенных под первой линейкой, отличающаяся тем, что вторая линейка вибраторов, расположенных под первой линейкой на расстоянии d=λ_ср/2 от нее, состоит из n отдельных симметричных направленных антенн, настроенных для работы с λ_ср/n, где n=1, 2, 3…, основной длины волны рабочего диапазона, выполненных в виде полотен, параллельных поверхности земли, из комбинации плоскостных вибраторов, равнобедренной треугольной рамки с протяженностью периметра, равной λ_ср/n, с размещением основания треугольника под первой линейкой, параллельно оси первой линейки, с проводниками боковых сторон, направленными в обратную сторону от направления приемопередачи, и размещенного под первым пассивным рефлектором шлейф-вибратора длиной λ_ср/2n, повернутого точками питания в направлении основания треугольника, на расстоянии λ_ср/4 от него и подключенного к нему перекрещенными при коммутации проводниками боковых сторон рамки, причем вертикальный плоский экран из металлических проводов имеет протяженность по вертикали λ_ср/4 - λ_ср/2 и размещен параллельно и симметрично оси первой линейки симметричных вибраторов, а к точкам подключения равнобедренного треугольного элемента и шлейф-вибратора отдельных антенн возможна коммутация независимых отдельных питающих фидеров.

2. Антенная система по п. 1, отличающаяся тем, что введен третий пассивный рефлектор, примыкающий к плоскости первого пассивного рефлектора и выполненный в виде горизонтального плоского экрана шириной λ_ср/4 из металлических проводов, параллельных поверхности земли и первой линейке симметричных вибраторов, размещенный над ней на расстоянии λ_ср/4.