Способ построения коммутируемой вибраторной антенны Российский патент 2023 года по МПК H01Q15/14 

Изобретение относится к антенной технике, в частности, к вибраторным антеннам с управляемой формой диаграммы направленности в широком диапазоне частот и изменяемой эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР).

Известны способы построения вибраторных антенн как в виде самостоятельных элементов, так и в составе антенных решеток, в которых для расширения рабочего частотного диапазона и управления диаграммой направленности в разрывы проводников вибраторов включают комплексные активные или реактивные нагрузки [1 - Овсянников В.В. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. М.: Радио и связь, 1985. 120 с.], [2 - Драбкин А.Л., Зузенко В.Л. Антенно-фидерные устройства. М.: Сов. радио, 1961. 816 с.], [3 - Hansen R.C. Efficiency and matching tradeoffs inductively loaded short antennas / IEEE Trans. 1975, vol. Com-23, №4, p. 430-435], [4 - Пат. 43650814 (США). Antenna loading device wich serjes connectedcois / D.H. Wells], [5 - Ittipiboon A., Hamid M.A.K. Doubly-loaded dipole wich high directivity. Internat. J. Electronics, 1977, v. 42, №4, p. 393-403], [6 - Бибарсов M.P., Шацкий H.B., Перетятько T.B., Сухопаров П.Е., Харченко В.В. Использование многодиапазонного излучателя для обеспечения электромагнитной совместимости в радиоэлектронных системах связи и передачи данных // ИВУЗ России. Радиоэлектроника, 2012. №1. С. 100-104].

Недостаток вибраторной антенны с сосредоточенными нагрузками состоит в том, что ее ЭПР определяют геометрические размеры и ориентация проводников, из которых состоит антенна.

Известен способ построения вибраторной антенны с симметрично изогнутыми плечами, в разрывы которых также включают сосредоточенные нагрузки [1, с. 6, 7].

Недостаток предыдущих способов является и недостатком способа построения вибраторной антенны с симметрично изогнутыми плечами.

Известен способ построения рассеивающей поверхности с цифровым кодированием вибраторных печатных элементов, состоящей из проводящих рассеивающих элементов, имеющих сложную геометрическую форму, в котором энергию падающего поля рассеивают в пространстве, используя «твист» эффект. При этом цифровое кодирование вибраторных печатных элементов определяет поляризацию вибраторных печатных элементов [7 - Семенихин А.И., Семенихина Д.В., Юханов Ю.В., Благовисный П.В. Блочный принцип построения и оценки снижения ЭПР непоглощающих широкополосных 2-битных анизотропных цифровых метапокрытий. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. №12].

Недостатком способа является то, что получаемая в результате цифрового кодирования рассеивающая поверхность может быть использована только для снижения ЭПР, но не может быть использована в качестве антенного полотна для приема (передачи) электромагнитных колебаний.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ построения коммутируемой антенны [8 - Готовко В.И. Физико-технические проблемы создания широкополосных приземных передающих антенн длинноволнового диапазона. // Journal of Siberi an Federal University. Mathematics & Physics, 2010, 3(2), p. 165-172], в соответствии с которым для оперативного управления длиной антенного полотна, выполненного в виде симметричной или несимметричной вибраторной антенны, между ее проводящими участками (далее: проводящими элементами) линейной поляризации включают коммутаторы плеча антенны, представляющие собой электронные ключи (коммутаторы), для управления которыми используют кодограммы, позволяющие изменять длину антенного полотна вибраторной антенны путем нарушения электрической связи между коммутируемыми проводящими элементами в зависимости от решаемых задач, частотного диапазона и требуемой диаграммы направленности.

Недостаток прототипа состоит в том, что данный способ не позволяет управлять в режиме приема (излучения) электромагнитных колебаний конфигурацией и размерами вибраторной антенны, состоящей из проводящих элементов (ПЭ) линейной поляризации, соединенных посредством электронных коммутаторов, при значительном увеличении числа электронных коммутаторов, а также в отсутствии возможности изменения диаграммы рассеяния вибраторной антенны в режиме рассеивающей поверхности при отключении проводящих элементов от линии передачи.

Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных свойств вибраторной антенны, состоящей из проводящих элементов линейной поляризации, соединенных посредством электронных коммутаторов, для управления диаграммой направленности в режиме рассеивающей поверхности для максимального рассеяния энергии падающей электромагнитной волны в окружающее пространство.

Для решения указанной проблемы предлагается способ построения коммутируемой вибраторной антенны, состоящий в том, что для построения коммутируемой вибраторной антенны используют проводящие элементы линейной поляризации, соединенные посредством электронных коммутаторов.

Согласно изобретению, проводящие элементы линейной поляризации располагают под заданными углами, обеспечивающими формирование требуемой периодической структуры проводящих элементов линейной поляризации и возможность коммутации проводящих элементов с различной поляризацией, устанавливают электронные коммутаторы в точках подключения линии передачи к коммутируемой вибраторной антенне, в режиме рассеивающей поверхности при помощи электронных коммутаторов отключают линию передачи от проводящих элементов линейной поляризации, а проводящие элементы линейной поляризации коммутируют с учетом максимального рассеяния энергии падающей электромагнитной волны в окружающее пространство.

Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие отличительные признаки и последовательность его реализации от способа-прототипа, которые приведены в таблице 1.

Достигаемый технический результат состоит в обеспечении в режиме рассеивающей поверхности снижения эффективной поверхности рассеяния антенны и ослабления ее влияния на работу других радиосистем.

Из представленной таблицы 1 сравнения последовательностей реализации способа-прототипа и предлагаемого способа видно, что введены следующие новые операции:

- устанавливают электронные коммутаторы в точках подключения линии передачи к коммутируемой вибраторной антенне;

- в режиме рассеивающей поверхности при помощи электронных коммутаторов отключают линию передачи от проводящих элементов линейной поляризации, а проводящие элементы линейной поляризации коммутируют с учетом максимального рассеяния энергии падающей электромагнитной волны в окружающее пространство;

изменен режим выполнения операции:

- проводящие элементы линейной поляризации располагают под заданными углами, обеспечивающими формирование требуемой периодической структуры проводящих элементов линейной поляризации и возможность коммутации проводящих элементов с различной поляризацией.

Введение двух новых операций и изменение режима выполнения одной операции позволяет, по сравнению со способом-прототипом, в режиме рассеивающей поверхности обеспечить снижение эффективной поверхности рассеяния антенны и ослабление ее влияния на работу других радиосистем.

Проведенный анализ технических решений позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют в известных источниках из уровня техники, что указывает на соответствие заявляемого способа условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Сущность предлагаемого способа раскрывается фигурами 1-12.

На фиг. 1 приведен фрагмент предлагаемой антенны, содержащий электронные коммутаторы, используемые для подключения проводящих элементов линейной поляризации (здесь и далее сокращенно: ПЭ) и линии передачи.

На фиг. 2 введены обозначения для электронных коммутаторов в точках питания антенны и вне точек питания.

На фиг. 3 показана схема периодической структуры ПЭ, у которой в точках подключения линии передачи отсутствуют пересечения ПЭ различной поляризации.

На фиг. 4 показана схема периодической структуры с пересечениями ортогональных ПЭ в точках питания антенны.

На фиг. 5 приведена периодическая структура линейных элементов, содержащая ПЭ, развернутые на угол ±45°.

На фиг. 6 - фиг. 8 приведены примеры коммутации ПЭ, которые могут быть использованы для реализации антенной решетки линейной поляризации, рассеивающего элемента и диполя Коха.

На фиг. 9 показано распределение токов в периодической структуре, скоммутированной в виде антенной решетки линейной поляризации в соответствии со структурой, показанной на фиг. 6, при 16-ти входах на частоте 800 МГц.

На фиг. 10 приведена объемная ДН, рассчитанная по токам, приведенным на фиг. 9.

На фиг. 11 приведено распределение токов при коммутации ПЭ в виде диполя Коха (фиг. 8), а на фиг. 12 - соответствующая этим токам объемная ДН на частоте 200 МГц.

При реализации заявленного способа построения коммутируемой антенны с плоским раскрывом выполняется следующая последовательность операций:

- для построения коммутируемой вибраторной антенны используют проводящие элементы линейной поляризации, соединенные посредством электронных коммутаторов;

- проводящие элементы линейной поляризации располагают под заданными углами, обеспечивающими формирование требуемой периодической структуры проводящих элементов линейной поляризации и возможность коммутации проводящих элементов с различной поляризацией;

- устанавливают электронные коммутаторы в точках подключения линии передачи к коммутируемой вибраторной антенне;

- в режиме рассеивающей поверхности при помощи электронных коммутаторов отключают линию передачи от проводящих элементов линейной поляризации, а проводящие элементы линейной поляризации коммутируют с учетом максимального рассеяния энергии падающей электромагнитной волны в окружающее пространство.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа.

Для формирования периодических структур могут быть использованы различные способы коммутации линейно поляризованных ПЭ.

В качестве простейшего элемента для построения периодической структуры может быть предложена конфигурация антенны линейной поляризации, представленная на фиг. 1.

Антенна линейной поляризации (фиг. 1) состоит из двух ПЭ 1 и 2, образующих плечи вибратора, пяти диодных сборок, обеспечивающих реализацию электронных коммутаторов (К) 1-5. Электронные коммутаторы К1 и К3 используются для коммутации ПЭ1 и ПЭ2 с другими антеннами линейной поляризации, ключи К2.1 и К2.2 используются для коммутации ПЭ1 и ПЭ2 между собой, а также для коммутации с другими ПЭ периодической структуры. Электронные коммутаторы К4 и К5 служат для подключения ПЭ1 и ПЭ2 к выходам линии передачи. Для подключения к линии передачи электронные коммутаторы К4 и К5 должны срабатывать одновременно. При построении симметричных периодических проводящих структур можно считать, что электронные коммутаторы К1 и К3 также должны работать одновременно. Это позволяет сопоставить возможным состояниям электронных коммутаторов антенны линейной поляризации на фиг. 1 цифровой код, записанный в таблице 2.

В таблице 1 первые 16 кодов соответствуют различным комбинациям коммутации электронных коммутаторов К1, К2.1, К2.2 и К3. Если старший разряд пятиразрядного кода равен единице, то электронные коммутаторы К4 и К5 замкнуты. Это указывает на то, что электронные коммутаторы К2.1 и К2.2 разомкнуты. При этом существует только четыре различные комбинации для электронных коммутаторов К1 и К3.

Пусть длина ПЭ1 и ПЭ2 равна . Диаметр области, в которой размещается диодная сборка электронного коммутатора, равен Δ. В этом случае из линейных элементов на фиг. 1 можно сформировать несколько различных комбинаций антенных решеток (АР), представленных на фиг. 2 - фиг. 4. На фиг. 2 схематически изображена линейная антенна. Областям, в которых расположены электронные коммутаторы К1 и К3, соответствуют незаштрихованные окружности, а области с электронным коммутатором К2 - закрашенная окружность. На фиг. 3 и фиг. 4 показаны две возможные периодические структуры, в которых линейные антенны расположены под прямым углом. Аналогичным образом могут быть построены периодические структуры, в которых фазовые центры линейных антенн расположены в узлах гексагональной структуры.

На фиг. 5 приведена более сложная структура линейных ПЭ, которая использовалась при моделировании характеристик антенной системы, реализующей предлагаемый способ. Данная структура содержит линейные ПЭ, развернутые под углом 45°. Линейные ПЭ, развернутые на угол ±45° относительно горизонтальной поверхности, обозначены штриховыми линиями.

В соответствии с фиг. 5 периодическая структура состоит из четырех систем линейных ПЭ, имеющих различную поляризацию.

Обозначим координаты фазовых центров линейных ПЭ горизонтальной поляризации

где М_х и М_у - число линейных ПЭ горизонтальной поляризации вдоль горизонтальной и вертикальной координаты.

При этом координаты фазовых центров линейных ПЭ вертикальной поляризации могут быть получены по формулам

Координаты фазовых центров ПЭ линейной поляризации, развернутых на угол ±45°, совпадают и могут быть заданы выражениями

Отметим, что для реализации периодической структуры, представленной на фиг. 5, длина линейных ПЭ, развернутых на угол ±45°, должна быть в раз больше, чем ПЭ, ориентированных горизонтально или вертикально.

Для определения характеристик направленности периодической структуры, ПЭ которой скоммутированы заданным образом, может использоваться известный в электродинамике метод моментов [9 - Вычислительные методы в электродинамике: Пер. с англ. / Под ред. Р. Миттры. М.: Мир, 1977. 485 с.], который активно используется в известных пакетах электродинамического моделирования. При использовании метода моментов должны быть также известны координаты и параметры источников. Метод моментов позволяет рассчитать распределения токов на ПЭ периодической системы путем решения системы линейных алгебраических уравнений. Если в каждом из ПЭ найдено распределение токов, то расчет компонентов векторной ДН осуществляют по формулам

где - распределения токов по координатам х, у в n-ых ПЭ периодической структуры; k - волновое число.

Компоненты векторной ДН в сферической системе координат рассчитываются по формулам

После формирования ДН могут быть получены оценки искомых параметров, к которым могут относиться направления максимумов, норма ДН, уровень боковых лепестков, ширина луча, а также интегральная характеристика - коэффициент направленного действия (КНД).

На фиг. 6 - фиг. 8 приведены несколько структур, которые могут быть получены при различных способах коммутации ПЭ. На данных фигурах рядом с соответствующим элементом приведены цифровые коды коммутации ПЭ, которые использованы для формирования антенн и рассеивающих структур. Кроме того, на данных фигурах для выделения способа коммутации штриховыми линиями обозначены ПЭ, в которых использован код коммутации 00000, а окружности с темной заливкой соответствуют точкам, в которых периодическая структура подключена к высокочастотному тракту (электронные коммутаторы К4 и К5 замкнуты, а электронные коммутаторы К2.1 и К2.2 - разомкнуты). На фиг. 6 показана периодическая структура, в которой коммутация лучей обеспечивает построение АР горизонтальной поляризации. На фиг. 7 приведен элемент рассеяния, который может быть использован для пространственного рассеяния энергии падающей электромагнитной волны, основанного на «твист эффекте» [7]. На фиг. 8 приведен вариант коммутации ПЭ для формирования простейшего диполя Коха.

На фиг. 9 приведена геометрия антенны, полученная в соответствии со структурой, представленной на фиг. 6 для 16-ти входов, на которой также показаны распределения токов в ПЭ, рассчитанные методом моментов в бесплатной САПР MMANA (Ver. 2-03). При построении раскрыва и расчетах длина ПЭ была выбрана равной 0,0749 м, а частота - 800 МГц.

На фиг. 10 представлена объемная ДН, рассчитанная в этой же программе по распределению токов.

Аналогичные результаты для периодической структуры, коммутируемой в соответствии с фиг. 7, представлены на фиг. 11 и фиг. 12.

На фиг. 11 можно увидеть, что амплитуды токов максимальны для тех ПЭ, которые коммутируются с линией передачи отмеченным на раскрыве антенны символом «о». В остальных ПЭ амплитуды токов уменьшаются. При моделировании длина ПЭ оставалась прежней, а частота была снижена до 300 МГц.

На фиг. 12 показана ДН диполя Коха на выбранной частоте. Как видно, ДН представляет собой искаженный торроид. Искажения теоретической формы связаны с тем, что излучатель является криволинейным.

В режиме рассеивающей поверхности ослабление отраженного сигнала в направлении на источник может достигаться за счет того, что рассеивающие элементы с одинаковым типом поляризации могут быть расположены с шагом, соизмеримым или превышающим длину волны. При размещении коммутируемой периодической структуры ПЭ на диэлектрическом основании рассеяние энергии падающей электромагнитной волны может достигаться за счет «твист» эффекта.

Это означает, что предлагаемый способ обеспечивает в режиме приема или излучения электромагнитных колебаний частотные, направленные и поляризационные свойства коммутируемой вибраторной антенны за счет изменения конфигурации управляющих напряжений для коммутации проводящих элементов линейной поляризации, а в режиме рассеивающей поверхности обеспечивает снижение эффективной поверхности рассеяния антенны и ослабление ее влияния на работу других радиосистем.

Реализация заявляемого способа не встречает затруднений при современном уровне развития радиотехники и устройств цифровой обработки сигналов с использованием известного в радиоэлектронной промышленности технологического оборудования. В качестве электронных коммутаторов могут быть использованы в частности pin-диоды. Возможность реализации предложенного способа обеспечивает ему критерий патентоспособности «промышленная применимость».

Изобретение относится к антенной технике, в частности, к вибраторным антеннам с управляемой формой диаграммы направленности в широком диапазоне частот и изменяемой эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР). Техническим результатом изобретения является обеспечение в режиме рассеивающей поверхности снижения эффективной поверхности рассеяния коммутируемой вибраторной антенны и ослабление ее влияния на работу других радиосистем. Технический результат достигается тем, что в предложенном способе построения коммутируемой вибраторной антенны в отличие от прототипа проводящие элементы (ПЭ) линейной поляризации располагают под заданными углами, обеспечивающими формирование требуемой периодической структуры ПЭ линейной поляризации и возможность коммутации ПЭ с различной поляризацией, устанавливают электронные коммутаторы в точках подключения линии передачи к коммутируемой вибраторной антенне, в режиме рассеивающей поверхности при помощи электронных коммутаторов отключают линию передачи от ПЭ линейной поляризации, а ПЭ линейной поляризации коммутируют с учетом максимального рассеяния энергии падающей электромагнитной волны в свободное пространство. 12 ил., 2 табл.

Способ построения коммутируемой вибраторной антенны, состоящий в том, что для построения коммутируемой вибраторной антенны используют проводящие элементы линейной поляризации, соединенные посредством электронных коммутаторов, отличающийся тем, что проводящие элементы линейной поляризации располагают под заданными углами, обеспечивающими формирование требуемой периодической структуры проводящих элементов линейной поляризации и возможность коммутации проводящих элементов с различной поляризацией, устанавливают электронные коммутаторы в точках подключения линии передачи к коммутируемой вибраторной антенне, в режиме рассеивающей поверхности при помощи электронных коммутаторов отключают линию передачи от проводящих элементов линейной поляризации, а проводящие элементы линейной поляризации коммутируют с учетом максимального рассеяния энергии падающей электромагнитной волны в окружающее пространство.