ЛИНЕЙНАЯ ПРИЕМНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА СТАНЦИИ АЗН-В С КРУГОВОЙ АЗИМУТАЛЬНОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ И ВСТРОЕННЫМ АНТЕННЫМ КАНАЛОМ СТАНДАРТА ГЛОНАСС/GPS Российский патент 2023 года по МПК H01Q1/00 H01Q1/38 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот, а именно к приемным антеннам с круговой диаграммой направленности (ДН) в азимутальной плоскости, предназначенным для приема волн вертикальной поляризации, и может быть использовано в станциях автоматического зависимого наблюдения-вещания (АЗН-В), оснащенных с целью синхронизации и определения собственного местоположения навигационным оборудованием стандарта ГЛОНАСС/GPS.

Известна всенаправленная антенная система со специальной ДН (патент №2639563 C1 (RU), опубл. 21.12.2017, бюл. №36), которая состоит из вертикальной опоры в виде полой металлической колонны поперечным размером 0,18…0,25λ, (где λ - длина волны) с установленными на ней двумя рефлекторами, непрерывными вдоль всей длины полой металлической колонны, распределительной системы, помещенной внутри колонны и представляющей собой N-канальный делитель мощности (N - целое число), выходы которого соединены с входами N одинаковых делителей мощности пополам, и N одинаковых излучателей, установленных вдоль колонны на расстоянии около λ/2, каждый из которых выполнен на основе двух конформных полосковых излучателей, соединенных через согласователи с выходами делителя мощности пополам, при этом конформные полосковые излучатели имеют прямоугольные вырезы на боковых гранях и размещены на противоположных сторонах колонны, повторяя форму ее поперечного сечения. Такая конструкция позволяет обеспечить возможность формирования ДН специальной формы в вертикальной плоскости, в частности косекансной, с неравномерностью ДН в горизонтальной плоскости не более 0.3 дБ при отсутствии настройки. Для увеличения уровня косекансной ДН в области углов, близких к оси металлической колонны, в верхней части антенной системы устанавливается дополнительный излучатель круговой поляризации, а число каналов N-канального делителя мощности увеличивается до N+1.

Недостатком данного изобретения является невозможность расширения рабочего сектора ДН в угломестной плоскости без возникновения дифракционных лепестков, поскольку расположение излучающих элементов вдоль опоры антенной системы с шагом менее λ/2 затруднительно, что определяется вертикальным размером конформного полоскового излучателя. Поэтому в верхней части антенной системы для повышения уровня косекансной ДН под углами места, близкими к вертикальной оси опоры, требуется установка дополнительного излучателя круговой поляризации, что приводит к усложнению N-канального делителя мощности из-за необходимости увеличения числа его каналов до N+1 и проблематичности встраивания в конструкцию антенного канала стандарта ГЛОНАСС/GPS. Также следует отметить, что уменьшение вертикального размера конформного полоскового излучателя, достигаемое за счет увеличения его электрической длины с помощью прямоугольных вырезов на его боковых гранях, приводит к росту уровня кроссполяризационной составляющей ДН.

Указанные недостатки устранены в линейной антенной решетке вертикальной поляризации с круговой азимутальной ДН и встроенным антенным каналом стандарта ГЛОНАСС/GPS (патент №2738332 C1 (RU), опубл. 11.12.2020, бюл. №35), являющейся наиболее близким аналогом, выбранным авторами в качестве прототипа заявляемого устройства, которая включает в себя вертикальную опору в виде полого металлического цилиндра, распределительную систему, представляющую собой N-канальный делитель мощности, выходы которого соединены с входами N одинаковых делителей мощности пополам, и N одинаковых излучателей, размещенных вдоль осевой линии опоры, каждый из которых состоит из двух конформных излучателей, развернутых на 180° друг относительно друга в горизонтальной плоскости, и синфазно возбуждаемых делителем мощности пополам. Распределительная система и излучатели прототипа выполнены на основе конформной симметричной полосковой линии в виде многослойной структуры, состоящей из пяти нечетных токопроводящих слоев и четырех четных диэлектрических слоев, которые расположены с внешней стороны опоры и концентрично сопряжены с ее поверхностью, образуя топологию полосковых проводников и экраны N-канального делителя мощности, делителей мощности пополам и конформных излучателей. Соединение выходов N-канального делителя мощности с соответствующими входами делителей пополам выполнено в виде N токопроводящих перемычек и N токопроводящих П-образных экранов, проходящих насквозь через все слои структуры, и образующих совместно отрезки симметричной полосковой линии. При этом каждый конформный излучатель выполнен в виде щели, возбуждаемой симметричной полосковой линией, а на верхней и во внутренней частях вертикальной опоры установлен антенный канал стандарта ГЛОНАСС/GPS.

Однако практическое использование такой антенной решетки в станциях АЗН-В предполагает ее установку на мачтовых сооружениях на высоте в несколько десятков метров от расположенной внизу приемной аппаратуры, что необходимо для исключения углов закрытия, создаваемых местными предметами, например, зданиями, деревьями. Для подключения антенной решетки к приемной аппаратуре в большинстве случаев приходится использовать радиочастотный кабель длиной до 50 м, потери сигнала в котором приводят к недопустимому снижению максимальной дальности действия станции АЗН-В.

Целью предложенного изобретения является обеспечение работы станции АЗН-В без снижения ее максимальной дальности действия при установке линейной приемной антенной решетки на мачтовых сооружениях на значительном удалении от расположенной внизу приемной аппаратуры, с возможностью полного повторения габаритных размеров конструкции и характеристик ДН, реализованных в прототипе заявляемого устройства.

Прежде чем пояснить сущность предлагаемого технического решения, покажем принципиальную возможность реализации заявленной цели изобретения, рассмотрев три схемы подключения линейной антенной решетки к приемной аппаратуре станции АЗН-В, показанные на фиг.1. Наличие полосового фильтра, установленного в каждой из схем, является необходимым для обеспечения надежной работы приемника станции в условиях мощных внеполосных помех, создаваемых сторонними радиотехническими средствами, в частности, вторичными радиолокаторами, излучающими сигналы запроса на частоте 1030 МГц. Рабочая частота приема станций АЗН-В - 1090 МГц.

На фиг.1а приведена схема подключения прототипа линейной антенной решетки к приемнику станции АЗН-В для случая, когда приемник и антенна расположены в непосредственной близости друг от друга. Согласно схеме фиг.1а между антенной (А) и приемником (ПРМ) включен полосовой фильтр (ПФ).

На фиг.1б изображена схема подключения прототипа линейной антенной решетки к приемнику станции АЗН-В для случая, когда антенна и приемник разнесены на расстояние, равное 50 м. Согласно схеме фиг.1б между антенной (А) и приемником (ПРМ) включены радиочастотный кабель (РК) длиной 50 м и полосовой фильтр (ПФ).

На фиг.1в представлена схема подключения прототипа линейной антенной решетки к приемнику станции АЗН-В для случая, когда антенна и приемник разнесены на расстояние, равное 50 м. Согласно фиг.1в между антенной (А) и приемником (ПРМ) включены радиочастотный кабель (РК) длиной 50 м, сборка (СБ₁) из полосового фильтра (ПФ) и установленного на его входе первого радиочастотного кабеля, сборка (СБ₂) из малошумящего усилителя (МШУ) и установленного на его выходе второго радиочастотного кабеля.

Типовые элементы схем, показанные на фиг.1, имеют следующие радиотехнические характеристики:

- вносимые потери полосового фильтра (ПФ): не более 0.7 дБ;

- коэффициент шума приемника (ПРМ): не более 3 дБ;

- погонные потери радиочастотного кабеля (РК): не более 0.3 дБ/м;

- вносимые потери РК длиной 50 м: не более 15 дБ;

- вносимые потери сборки (СБ₁): не более 0.9 дБ;

- коэффициент шума сборки (СБ₂): не более 2.5 дБ;

- коэффициент усиления сборки (СБ₂): не менее 27 дБ.

В соответствии с уравнением радиолокации максимальная дальность действия активного радиолокатора с активным ответом при прочих равных условиях обратно пропорциональна квадратному корню из пороговой мощности (Бакулев П.А. Радиолокационные системы. М.: Радиотехника, 2004, с. 116), т.е. минимальной мощности сигнала на входе приемника, при которой принятый сигнал обнаруживается с заданными вероятностями обнаружения и ложной тревоги. В свою очередь, пороговая мощность прямо пропорциональна коэффициенту шума приемника (см. Справочник по радиолокации / под ред. М. Сколника. Т. 1. Основы радиолокации. М.: Сов. радио, 1976, с. 12). Таким образом, справедливо равенство:

где R_max - максимальная дальность действия, F - коэффициент шума приемника, k - константа, определяемая совокупностью параметров, входящих в уравнение радиолокации. Из выражения (1) следует, что для оценки изменения максимальной дальности действия каждой из схем, приведенных на фиг.1, достаточно вычислить и сравнить соответствующие коэффициенты шума с выхода антенной решетки.

Для вычисления общего коэффициента шума с выхода антенной решетки воспользуемся формулой Фрииса (Friis Н.Т. Noise Figures of Radio Receivers // Proc. IRE. N.Y., 1944. V. 32. No 7, p.422) для случая каскадного соединения четырехполюсников:

где - общий коэффициент шума, F_i - коэффициент шума i-го каскада (i = 1, 2 … n), G_i - коэффициент усиления i-го каскада.

Учитывая, что коэффициент шума F_p пассивного четырехполюсника обратно пропорционален коэффициенту передачи по мощности, а коэффициент усиления G_p - прямо пропорционален, т.е. F_p=10^L/10, G_p=10^-L/10, где L - вносимые потери в дБ, используя (2), получаем:

- для варианта схемы подключения согласно фиг.1а

- для варианта схемы подключения согласно фиг.1б

- для варианта схемы подключения согласно фиг.1в

Полученные результаты показывают, что вариант схемы подключения согласно фиг.1в обеспечивает сохранение максимальной дальности действия станции АЗН-В по отношению к варианту схемы (фиг.1а), в то время как максимальная дальность действия в варианте схемы (фиг.1б) по отношению к вариантам (фиг.1а и фиг.1в) уменьшается в раза. Отметим, что условие сохранения максимальной дальности: может быть выполнено и при других сочетаниях характеристик радиочастотного кабеля (РК), сборок (СБ₁) и (СБ₂).

Следовательно, достижение цели изобретения возможно путем размещения внутри вертикальной опоры прототипа антенной решетки следующих типовых элементов - полосового фильтра, подключенного с помощью первого радиочастотного кабеля к входу N-канального делителя мощности, и МШУ, вход которого подключен к полосовому фильтру, а выход соединен со вторым радиочастотным кабелем, свободный выход которого является выходом заявляемой линейной приемной антенной решетки, подключаемым к приемному устройству станции АЗН-В, в том числе с помощью фидерного тракта, при значительном удалении приемного устройства от антенной решетки. При этом общий коэффициент шума на выходе фидерного тракта, соединяющего выход антенной решетки с расположенным на значительном удалении приемным устройством, не превышает общий коэффициент шума на выходе полосового фильтра в случае, соответствующем фиг.1а, когда антенная решетка и приемное устройство расположены в непосредственной близости друг от друга, а между входом N-канального делителя мощности и приемным устройством включен только фильтр.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется при помощи графического материала, представленного на фиг.2-6.

На фиг.2 изображена структурная схема линейной приемной антенной решетки, состоящей из распределительной системы (1), включающей N-канальный делитель мощности (2), выходы которого соединены с входами N одинаковых делителей мощности пополам (3), и N одинаковых излучателей (4), каждый из которых содержит два конформных щелевых излучателя (5), возбуждаемых делителем пополам (3). Выходы N-канального делителя (2), делители пополам (3) и излучатели (4) установлены с шагом S вдоль вертикальной опоры (6), которая также используется для размещения встраиваемых элементов - антенного канала стандарта ГЛОНАСС/GPS (7) с внешней активной антенной (8) и радиочастотным кабелем (9), полосового фильтра (12), подключенного с помощью первого радиочастотного кабеля (11) к входу (10) N-канального делителя (2), МШУ (13), вход которого подключен к полосовому фильтру (12), а выход соединен со вторым радиочастотным кабелем (14). Позициями (15) и (16) на фиг.2 обозначены, соответственно, выход линейной приемной антенной решетки, и выход антенного канала (7).

Общий вид, а также разнесенный вид конструкции линейной антенной решетки показаны, соответственно, на фиг.3а и фиг.3б, где введены следующие позиционные обозначения: 1 - распределительная система, 2 - N-канальный делитель мощности, 3 - делитель мощности пополам, 4 -излучатель, 5 - конформный щелевой излучатель, 6 - вертикальная опора, 7 -встраиваемый антенный канал стандарта ГЛОНАСС/GPS, 8 - внешняя активная антенна, 9 - радиочастотный кабель, 10 - вход N-канального делителя, 16 - выход антенного канала (7), 17 - П-образный экран, 18 - верхний экран, 19 - кольцевой делитель мощности, 20 - балластный резистор, 21 - перемычка, 22 - радиопрозрачный обтекатель, 23, 25, 27, 29, 31 - нечетные токопроводящие слои, 24, 26, 28, 30 - четные диэлектрические слои, А - вид опорного фланца (32) с входами (10) и (16), Б - вид фрагмента топологии N-канального делителя (2), В - вид топологии делителя пополам (3), Г - вид соединения выхода N-канального делителя мощности с соответствующим входом делителя пополам (показано в разрезе, позиции 22, 24, 26, 28, 30, 31 скрыты).

Конструкция линейной антенной решетки, состоящей из N одинаковых излучателей (4), запитанных от распределительной системы (1), выполнена на основе многослойной структуры, включающей пять нечетных токопроводящих слоев (23, 25, 27, 29, 31) и четыре четных диэлектрических слоя (24, 26, 28, 30), которые концентрично сопряжены с вертикальной опорой (6), закрепленной на круглом опорном фланце (32), и представляющей собой полый металлический цилиндр с металлическим экраном (18) в верхней торцевой части. Распределительная система (1) состоит из N-канального делителя мощности (2), выходы которого соединены с входами N одинаковых делителей мощности пополам (3). При этом N-канальный делитель (2) и делители пополам (3) реализованы на базе конформной симметричной полосковой линии с экранами, проводниками и диэлектрическим заполнением в виде слоев (23-31), каждый из которых повторяет форму вертикальной опоры (6), и имеет следующее назначение:

- слой (23): внешняя цилиндрическая поверхность опоры (6), одновременно являющаяся внутренним экраном делителя (2);

- слой (25): центральная плата с топологией делителя (2);

- слой (27): общий экран, являющийся одновременно внешним для делителя (2) и внутренним для делителей (3);

- слой (29): центральная плата с топологией делителей (3);

- слой (31): внешний экран делителей (3);

- слой (24): диэлектрическое заполнение между внутренним экраном (23) и центральной платой (25);

- слой (26): диэлектрическое заполнение между центральной платой (25) и общим экраном (27);

- слой (28): диэлектрическое заполнение между общим экраном (27) и центральной платой (29);

- слой (30): диэлектрическое заполнение между центральной платой (29) и внешним экраном (31).

Топология центральной платы (25) представляет собой многоканальную схему деления на основе N-1 кольцевых делителей мощности (19) с балластными резисторами (20), а N полосковых неразвязанных тройников образуют топологию центральной платы (29). Соединение выходов делителя (2) с входами делителей (3), расположенных, соответственно, на центральных платах (25) и (29), осуществляется с помощью межслойных переходов в виде симметричной полосковой линии (см. вид Г), ограниченной П-образным экраном (17), и перемычки (21). При этом П-образный экран (17) расположен между слоями (23) и (31), проходя насквозь через слои (24-30), в которых предусмотрены соответствующие пазы.

Топология щелевых излучателей (5) организована в слое (31), одновременно являющимся внешним экраном делителей (3).

Токопроводящие слои (23, 25, 27, 29, 31) выполнены на базе фольгированного лавсана марки ЛФР-1-35-0,15, ТУ 2296-009-11436290-98, а диэлектрические слои (24, 26, 28, 30) - на базе пенополиэтилена ППЭ-Р(М), ТУ 2244-001-07521647-96.

Вертикальная опора (6) используется для установки антенного канала стандарта ГЛОНАСС/GPS (7), состоящего из внешней активной антенны (8), установленной в верхней торцевой части опоры на экране (18), и радиочастотного кабеля (9), который проходит через внутреннюю часть опоры, соединяя выход (16) с выходом антенны (8). Также внутри опоры (6) размещены полосовой фильтр (12), МШУ (13), первый (11) и второй (14) радиочастотные кабели (позиции 12-14 на фиг.3 не показаны). Вход (10) N-канального делителя (2) и выход (16) встроенного антенного канала (7) выполнены в виде коаксиальных розеток, расположенных на опорном фланце (32) согласно виду А. Для защиты от климатических и внешних механических воздействий конструкция устройства размещена под радиопрозрачным обтекателем (22), герметично сопряженным с опорным фланцем (32).

На Фиг. 4а показана компоновка линейной приемной антенной решетки, поясняющая размещение внутри вертикальной опоры (6) встраиваемых элементов - полосового фильтра (12), подключенного с помощью первого радиочастотного кабеля (11) к входу (10) N-канального делителя, и МШУ (13), вход которого подключен к полосовому фильтру (12), а выход соединен со вторым радиочастотным кабелем (14). Свободный выход второго радиочастотного кабеля (14) является выходом линейной приемной антенной решетки (15).

На фиг.4б показана конструкция полосового фильтра пятого порядка, который выполнен на связанных резонаторах, представляющих отрезки полосковых линий полуволновой длины на центральной частоте с последовательной емкостной связью (Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Т. 1. М.: Связь, 1971, с. 375).

Резонаторы (33) фильтра установлены в алюминиевом корпусе (34) и зафиксированы с помощью фторопластовых изоляторов (35). В крышке (36) над емкостными зазорами, связывающими резонаторы (33), предусмотрены настроечные винты (37). Крайние резонаторы соединены через полосковые трансформаторы сопротивлений (38) с входным (39) и выходным (40) коаксиальными разъемами. Кронштейны (41) предназначены для крепления фильтра к внутренней поверхности вертикальной опоры (6). Габаритные размеры конструкции фильтра составляют 730×41×41 мм, что обеспечивает возможность его размещения внутри вертикальной опоры прототипа.

На фиг.4в изображен общий вид МШУ, обеспечивающего усиление и фильтрацию входного сигнала, и конструктивно выполненного в виде корпуса (42) с входным (43) и выходным (44) разъемами. Электропитание МШУ осуществляется через выходной разъем (44). МШУ является серийно выпускаемым субблоком производства ПАО «НПО «Алмаз» и имеет следующие технические характеристики:

- центральная частота полосы пропускания: 1090±3 МГц;

- коэффициент шума: не более 2.5 дБ;

- коэффициент усиления: не менее 28 дБ;

- ослабление при отстройке на ±30 МГц: не менее 15 дБ;

- напряжение питания: +5 В±5%;

- габаритные размеры конструкции: 119×42×23 мм.

На фиг.5 приведены амплитудно-частотные характеристики экспериментального образца полосового фильтра, измеренные при нормальных климатических условиях (НКУ), пониженной температуре минус 50°С и повышенной температуре +50°С.

Использование серийного субблока МШУ в сочетании с реализованной конфигурацией полосового фильтра позволяют произвести их конструктивное встраивание во внутреннюю часть вертикальной опоры прототипа без изменения ее конструкции, а, соответственно, и принципиального подхода к построению линейной антенной решетки в целом. В частности, обеспечивается возможность полного повторения габаритных размеров конструкции и характеристик ДН, реализованных в прототипе изобретения.

На фиг.6а приведена азимутальная ДН, на фиг.6б - угломестная ДН линейной приемной антенной решетки, которые полностью совпадают с ДН прототипа и подтверждены натурными испытаниями экспериментального образца заявляемого устройства.

Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является обеспечение работы станции АЗН-В без снижения ее максимальной дальности действия при установке линейной приемной антенной решетки на мачтовых сооружениях на значительном удалении от расположенной внизу приемной аппаратуры, с возможностью полного повторения габаритных размеров конструкции и характеристик ДН прототипа линейной приемной антенной решетки.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к линейным приемным антенным решеткам с круговой азимутальной диаграммой направленности, работающим в СВЧ-диапазоне. Технический результат - обеспечение приема сигнала на станции АЗН-В при установке приемной антенной решетки на мачтовых сооружениях на значительном удалении от приемной аппаратуры. Результат достигается тем, что предложена линейная приемная антенная решетка с круговой азимутальной диаграммой направленности, содержащая вертикальную опору в виде полого металлического цилиндра, антенный канал стандарта ГЛОНАСС/GPS, распределительную систему, излучатели, при этом распределительная система и излучатели выполнены на основе конформной симметричной полосковой линии в виде многослойной структуры, отличающаяся от прототипа тем, что внутри вертикальной опоры линейной антенной решетки конструктивно встроены полосовой фильтр, подключенный с помощью первого радиочастотного кабеля к входу N-канального делителя мощности, и малошумящий усилитель, вход которого подключен к полосовому фильтру, а выход соединен со вторым радиочастотным кабелем, свободный выход которого является выходом антенной решетки. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Линейная приемная антенная решетка с круговой азимутальной диаграммой направленности, включающая вертикальную опору в виде полого металлического цилиндра, антенный канал стандарта ГЛОНАСС/GPS, распределительную систему, представляющую собой N-канальный делитель мощности, выходы которого соединены с входами N одинаковых делителей мощности пополам, и N одинаковых излучателей, размещенных вдоль осевой линии опоры, каждый из которых состоит из двух конформных излучателей, развернутых на 180° друг относительно друга в горизонтальной плоскости, и синфазно возбуждаемых делителем мощности пополам, при этом распределительная система и излучатели выполнены на основе конформной симметричной полосковой линии в виде многослойной структуры, состоящей из пяти нечетных токопроводящих слоев и четырех четных диэлектрических слоев, которые расположены с внешней стороны опоры и концентрично сопряжены с ее поверхностью, образуя топологию полосковых проводников и экраны N-канального делителя мощности, делителей мощности пополам и конформных излучателей, каждый из которых выполнен в виде щели, возбуждаемой симметричной полосковой линией, а соединение выходов N-канального делителя мощности с соответствующими входами делителей пополам выполнено в виде N токопроводящих перемычек и N токопроводящих П-образных экранов, проходящих насквозь через все слои структуры, и образующих совместно отрезки симметричной полосковой линии, отличающаяся тем, что внутри вертикальной опоры конструктивно встроены полосовой фильтр, подключенный с помощью первого радиочастотного кабеля к входу N-канального делителя мощности, и малошумящий усилитель, вход которого подключен к полосовому фильтру, а выход соединен со вторым радиочастотным кабелем, причем свободный выход второго радиочастотного кабеля является выходом антенной решетки.

2. Линейная приемная антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что полосовой фильтр выполнен на связанных резонаторах, представляющих отрезки полосковых линий полуволновой длины на центральной частоте с последовательной емкостной связью, зафиксированных в металлическом корпусе с помощью изоляторов.