Способ фокусирования поля N-элементной антенной решетки Российский патент 2024 года по МПК H01Q25/00 

Изобретение относится к радиотехническим системам, в частности, к антенной технике и предназначено для использования в системах беспроводной передачи электромагнитной энергии, прежде всего солнечной энергии радиолучом, сфокусированным на наземный участок приемных ректенн, а также в интересах радиосвязи.

Известен классический способ формирования максимума диаграммы направленности (ДН) произвольной системы излучателей, который сводится к возбуждению антенных элементов пропорционально комплексно сопряженным значениям их индивидуальных ДН в желаемом направлении (θ₀, φ₀). В типичной для практики ситуации, когда все элементы АР имеют одинаковую поляризацию, ДН очевидным образом определяется скалярной функцией

которая описывает результат наложения полей (в дальней зоне они пропорциональны индивидуальным ДН f_n(θ, φ)) от элементов АР, возбуждённых в соответствии с комплексными весами {I_n} амплитудно-фазового распределения (АФР). Ясно, что для формирования максимума ДН в направлении (θ₀,φ₀) необходимо синфазное сложение этих полей, которое обеспечивается при условии I_n = f_n^*(θ₀, φ₀) в силу того, что как следует из (1) при этом F(θ₀, φ₀) = ∑_n f_n^*(θ₀, φ₀) f_n(θ₀, φ₀) = ∑_n|f_n(θ₀, φ₀)|². Свойства (ширина луча, УБЛ, КНД) АР линейных, плоских, кольцевых с равномерным и неравномерным распределением элементов исследованы и вошли во многие учебники [Надененко С. И., Антенны, 2-е изд.- М.: Энергия, 1975. 528 с; Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие для вузов связи. - М.: Связь, 1977. 440 с.; Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для вузов - М.: Высш. шк., 1988. 432 с.; Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн: Учебник для вузов. 2-е изд., - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. 558с.; Balanis C.A. Antenna Theory: Analysis and Design. 4th. Edition. Wiley. 2016. - 1096 p.]

Недостаток этого способа - снижение КУ при изменчивости условий распространения на трассе и при отклонении элементов АР или объекта фокусирования от их номинальных положений.

В последнее время исследуются АР, сфокусированные в области ближнего поля. Они находят широкое практическое применение в томографии, акустике, гидролокации, при антенных измерениях и зондировании неоднородностей сред. Поле АР в произвольной точке (x, y, z) есть сумма порождаемых элементами АР сферических волн, комплексные амплитуды которых зависят от амплитуд возбуждения {I_n}, фазового набега и ослабления интенсивности при распространении в рассматриваемую точку. В скалярной формулировке суммарное поле описывается следующим очевидным выражением

где r_n(x, y, z) - расстояние от n-го элемента АР до точки фокусирования (x, y, z); k = 2π/λ - волновое число; f_n(ψ) - значение индивидуальной ДН n-го элемента в направлении ψ от точки расположения n-го элемента АР в точку фокусирования (x, y, z). Для фокусировки, обеспечивающей максимальную интенсивность поля |E(x, y, z)| в точке (x, y, z) при ограниченной мощности возбуждения АР (т.е. при ||I_n||² = const) необходимо синфазное сложение полей элементов с весами, пропорциональными их интенсивностям, что обеспечивается при

Формула (3) определяет способ фокусировки поля в локальной области возле точки (x, y, z) в режиме передачи. По принципу двойственности, суммирование принятых сигналов с весами {I_n} обеспечивает выделение сигналов, пришедших из окрестности точки (x, y, z). С этим связан интерес к приемам фокусирования в ближней зоне в отмеченных выше областях практического применения. Теоретическим оценкам эффекта фокусирования АР различных геометрий и экспериментальным исследованиям посвящено множество отечественных и зарубежных публикаций [Ю.Е. Седельников, О. В. Потапова, А. Р. Садыков и др. Сфокусированные антенны в задачах контактной радиотермометрии, Журнал радиоэлектроники, 2021, № 3; Д.А. Юзвик, М.А. Степанов. Формирование максимума напряженности электрического поля в заданной точке пространства сфокусированной линейной антенной решеткой, Доклады академии наук ВШ РФ, 2023, №3 (60), С. 67–79; Халикова К.Н. Антенны, сфокусированные в области ближнего излученного поля для задач микроволновых технологий, канд. дис.: Казань, 2017; Tadeusz Stepinski. Synthetic Aperture Focusing Technique in Ultrasonic Inspection of Coarse Grained Materials, 2007, SKI reference: 14.43 - 200543110; M.R. Pino, R.G. Ayestarán, P. Nepa, G. Manara. An Overview on Synthesis Techniques for Near-Field Focused Antennas, Chapter 2 in the book «Recent wireless power transfer technologies», 2020; Karimkashi, Shaya, Characteristics of different focusing antennas in the near field region» (2011). Electronic Theses and Dissertations. 1386. Доступно: https://egrove.olemiss.edu/etd/1386; Nepa P., Buffi A. Near-field focused microwave antennas/ IEEE AP Magazine, 2017, 59(3), 42-53pp]

Недостаток определяемого формулой (3) способа фокусирования АР в заданную точку (x, y, z) состоит, как и в предыдущем случае, в снижении качества фокусировки при деформации АР (отклонении ее геометрии от номинальной) и изменении условий распространения от расчетных.

Наиболее близким к заявляемому является используемый в качестве прототипа способ, реализованный в патенте US 3174150 Self-focusing antenna system (в переводе само-фокусирующаяся антенная система). Структурная схема соответствующей системы воспроизведена на рисунке справа (если так можно), заимствованном из описания упомянутого патента. Функционирование рассматриваемой системы включает прием каждым элементом АР n = 1…N сигналов s_n(t) на рабочей частоте ω₀ от источника, расположенного на объекте фокусирования (назовем его маяком), формирование опорного сигнала s_оп(t) из сигнала, принятого базовым элементом АР (REFERENCE ANTENNA), передачу сигнала s_оп(t) к остальным элементам АР (TO OTHER LOOPS), когерентное гетеродинирование сигналов s_оп(t) и s_n(t), сравнение их фаз на промежуточной частоте, и инверсию фазы излучаемого сигнала цепью регулируемой задержки (LINE STRETCHER). Тем самым на передачу в каждом канале формируется сигнал, комплексно сопряженный принятому от маяка сигналу, в котором отобразилось текущее состояние трассы и расстояние до маяка. Это и обеспечивает синфазное сложение излучаемых антенными элементами волн у объекта фокусирования.

Недостаток прототипа состоит в сложности процедуры обработки принятых сигналов, требующей сравнения и регулирования фаз и передачи во все цепи наряду с сигналом базового элемента еще и сигнала гетеродина, что усложняет реализацию способа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение процедуры обработки принятых сигналов и, соответственно, облегчение технической реализации способа.

Технический результат достигается тем, что опорный сигнал s_оп(t) формируют удвоением частоты сигнала, принятого базовым элементом АР, а сигналы возбуждения элементов АР получают перемножением принятых ими сигналов s_n(t) и общего для всех опорного сигнала s_оп(t), выделением из этого произведения сигнала с частотой ω₀. Усиление сигналов при приеме и передаче не существенны для способа фокусирования и потому не упоминаются.

Изобретение поясняется чертежами.

На чертеже фиг. 1 представлена структурная схема системы, фокусирующей поле заявляемым способом. Где 1 - удвоитель частоты, 2 - ЦРКЛ, 3 - смеситель, 4 - маяк.

Фиг. 2 демонстрирует осуществимость комплексного сопряжения путем гетеродинирования сигналом удвоенной частоты. Здесь Сигналы на входе смесителя s_n(t) (тонкая линия), на выходе смесителя s_n^*(t) (жирная линия).

Фигуры 3 и 4 иллюстрируют устойчивость процесса фокусировки при деформациях АР.

Заявляемый способ включает размещение на объекте фокусирования источника-маяка, излучающего сигнал частоты ω₀, прием этого сигнала элементами АР n = 1…N s_n(t), и излучение этими же элементами комплексно сопряженных сигналов s_n^*(t), что обеспечивает синфазное сложение (на объекте фокусирования) полей, излучаемых элементами АР. Действительно, фаза ψ_n = -jβr_n принятого сигнала s_n(t) соответствует задержке сигнала на трассе от маяка до элемента n, обусловленной как конкретным расстоянием r_n от маяка до этого элемента, так и волновым числом β, зависящим от электродинамического состояния среды. Поля, излученные элементами АР, проходят тот же путь и, распространяясь, претерпевают те же самые фазовые сдвиги. Следовательно, возбуждение элементов АР с инверсными фазовыми сдвигами -ψ_n, что и соответствует комплексно сопряженному сигналу s_n^*(t), обеспечивает синфазное сложение излучаемых полей в точке фокусирования.

Реализуемость предлагаемого способа обусловлена следующими обстоятельствами.

Известны способы и устройства удвоения частоты входного сигнала [См., например, Ризкин И.Х. Умножители и делители частоты. Изд.: М. Связь; 1976 г 328 с.; RU 2440665, Удвоитель частоты, опубл. 20.01.2012 Бюл. № 2.]. В частности, двухполупериодным диодным выпрямителем, благодаря квадратичности вольтамперных характеристик диодов, из входного сигнала s_вх(t) = A cos(ω₀t) формируется сигнал s_вsх(t) = s_вх²(t) = А² cos²(ω₀t) = А² [1 + cos(2ω₀t)]/2. Составляющая удвоенной частоты выделяется в качестве опорного сигнала s_оп(t) = cos(2ω₀t). Примечание: амплитуда опорного сигнала роли не играет и потому при описании способе не отслеживается.

Гетеродинирование сигнала (см., например, Пушкарев В.П. Радиоприемные устройства. Учебник, Саратов: Ай Пи Ар Медиа, 2019, Глава 4.3. “Преобразователи частоты радиоприемных устройств”, формулы на стр. 117) осуществляется с помощью смесителя, и в классическом варианте состоит в перемножении входного сигнала cos(ω₀t+ψ₀) (частоты ω₀ с фазой ψ₀) и сигнала гетеродина частоты ω_г

и выделении из полученного произведения составляющей разностной (промежуточной) частоты (ω_г - ω₀). Если частота гетеродина равна удвоенной частоте сигнала ω_г = 2ω₀, то правая часть тригонометрического равенства (4) предстает в виде

Здесь составляющая частоты ω₀ имеет фазу инверсную (противоположного знака) фазе ψ₀ входного сигнала. Таким образом, осуществляемое смесителем гетеродинирование входного сигнала сигналом удвоенной частоты, есть эффективный путь формированию комплексно сопряженного сигнала.

В рассматриваемой ситуации (фокусирование поля) принципиальную роль играет когерентность излучаемых сигналов, которая обеспечивается двумя факторами: во-первых, эти сигналы происходят от единого источника - маяка, расположенного на объекте фокусирования; во-вторых, опорный сигнал удвоенной частоты тоже есть преобразованный в базовом канале сигнал маяка, таким образом любые нестабильности частоты (или фазы) сигнала маяка синхронно проявляются в опорном сигнале.

Особенность заявляемого способа заключается в том, что инверсия фазы сигналов s_n(t), принятых каналами АР от маяка, достигается за счет гетеродинирования опорным сигналом s_оп(t) удвоенной частоты. Причем сигнал s_оп(t) формируют из сигнала, принятого базовым элементом АР, путем удвоения его частоты.

На фиг. 1 представлена укрупненная структурная схема системы, осуществляющей фокусировку излучаемого поля по заявляемому способу. Маяк расположен на объекте фокусировки, например, в центре пощади, занятой приемными ректеннами в случае передачи энергии радиолучом. Излучаемое поле частоты ω₀ изображено сферически расширяющимися фазовыми фронтами. Базовый канал антенной решетки (АР) содержит удвоитель частоты, формирующий опорный сигнал s_оп(t) = cos(2ω₀t), который служит сигналом гетеродина для смесителей всех каналов, включая базовый. С выходы смесителей сигналы с инвертированными фазами через циркуляторы, обозначенные как ЦРКЛ, излучаются теми же антенными элементами. Создаваемое антенной решеткой поле имеет структуру сферической волны, сжимающейся в точку фокусирования, что и отображено на фиг. 1 в виде фазовых фронтов, распространяющихся к маяку.

Заметим, что, если развязка между приемным и передающим портами циркуляторов окажется недостаточной, известны приемы ее увеличения. Среди них, поляризационная развязка, когда прием и передача осуществляются на ортогональных поляризациях. Радикальный прием сводится к временной развязке. Прием и передача сменяют друг друга, причем временной интервал приема составляет малую долю периода повторения, и принятые сигналы когерентно продолжаются на интервал передачи для формирования опорного и комплексно сопряженных сигналов.

Хотя формулы (4) и (5) отражают непреложные тригонометрические соотношения и в проверке не нуждаются, однако, с физической точки зрения связанная с комплексным сопряжением смена положительной фазы с на отрицательную выглядит естественной, поскольку проявляется в задержке исходного сигнала. В случае отрицательной фазы ψ - в опережении. Поэтому было выполнено программное моделирование смесителя при переменной фазе входного сигнала s_вх(t) = cos(ω₀t+ψ) и неизменном опорном сигнале s_оп(t) = cos(2ω₀t). Произведение s_оп(t) s_вх(t) в рассматриваемом случае содержит, как отмечено выше, две составляющие (5), резко различающиеся по частоте (на 2ω₀). Поэтому полоса пропускания ∆ω₀ фильтра, выделяющего полезную составляющую, может быть не слишком узкой. Результаты моделирования, представленные на фиг. 2, получены при ∆ω₀ = ω₀/10 и подтверждают тот факт, что гетеродинирование удвоенной частотой обеспечивает инверсию фазы входного сигнала. Причем, не за счет измерения фазы исходного сигнала и регулируемой задержки, как это осуществляется в прототипе, а за счет выделения сигнала с инверсной фазой, который присутствует в произведении cos(2ω₀t) cos(ω₀t+ψ).

Заявляемый способ сохраняет эффективность фокусировки и в условиях деформаций АР. Результаты соответствующих расчетов представлены на фигурах 3 и 4. Рассматривалась эквидистантная линейная АР из 14-ти изотропных излучателей с шагом 0.7λ. точка фокусирования расположена на нормали к АР (ось 0у) на удалении 10λ от АР (жирная точка на фиг. 3). Номинальное АФР есть {u_n = exp(jβr_n)/r_n}, где r_n = (x_n² + (10λ)²) расстояние от элемента x_n до точки фокусирования. Цветными топограммами представлена интенсивность поля АР в области от 4λ до 16λ по у и ±5λ по х. Фиг. 3а соответствует номинальной ситуации с недеформированной АР, представленной с соблюдением геометрических пропорций точками на расстоянии 4λ от указанной области контроля поля.

Две другие топограммы на фиг. 3б и 3в соответствуют ситуации при достаточно малых смещениях элементов АР dy_n = δ sin(2π x_n / L). Здесь L - длина АР, δ = 0.25λ это максимальное значение «волнообразного» смещения элементов АР. Конфигурация деформированной АР показана на фиг. 3б и 3в с соблюдением пропорций. Топограмма на фиг. 3б представляет поле деформированной АР при сохранении номинального АФР {u_n}. Видно, что даже при таких «умеренных» деформациях АР структура поля существенно изменяется и его интенсивность в точке фокусирования заметно снижается. На фиг. 3в представлено поле при АФР, сформированным в соответствии с заявляемым способом. Видно, что структура поля очень близка к номинальной (фиг. 3а), хотя, естественно, теперь абсолютной симметрии не наблюдается.

На фиг. 4 представлена зависимость интенсивности поля в точке фокусирования, характеризующая эффективность фокусировки, при изменении уровня δ описанных выше деформаций. Кривая 1 свидетельствует об адаптации фокусировки по заявляемому способу к деформациям АР. Слабо выраженный рост интенсивности поля в точке фокусирования при усилении деформаций (росте δ) объясняется тем, что часть элементов АР приближается к точке фокусирования (вплоть до 9λ), что «пересиливает» удаление другой части элементов (до 11λ). Кривая 2 соответствует ситуации, когда сохраняется номинальное АФР при описанных выше деформациях.

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования в системах беспроводной передачи электромагнитной энергии, прежде всего солнечной энергии, радиолучом, сфокусированным на наземный участок приемных ректенн, а также в интересах радиосвязи. Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение процедуры обработки принятых сигналов и соответственно облегчение технической реализации способа. Технический результат достигается тем, что опорный сигнал s_оп(t) формируют удвоением частоты сигнала, принятого базовым элементом АР, а сигналы возбуждения элементов АР получают перемножением принятых ими сигналов s_n(t) и общего для всех опорного сигнала s_оп(t), выделением из этого произведения сигнала с частотой . 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ фокусирования поля N-элементной антенной решетки (АР), включающий прием каждым элементом АР n = 1 ... N сигналов s_n(t) на рабочей частоте , излучаемых источником, расположенным в точке фокусирования, формирование опорного сигнала s_оп(t) из сигнала, принятого базовым элементом АР, передачу сигнала s_оп(t) к остальным элементам АР и возбуждение элементов АР в режиме передачи, обеспечивающее синфазное сложение их полей в точке фокусирования, отличающийся тем, что опорный сигнал s_оп(t) формируют удвоением частоты сигнала базового элемента АР, а сигналы возбуждения элементов АР в режиме передачи получают перемножением принятых ими сигналов s_n(t) и опорного сигнала s_оп(t), выделением из этого произведения и усилением составляющей с частотой .

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что излучают сигнал с поляризацией ортогональной поляризации принимаемого сигнала.

3. Способ по пп.1 или/и 2, отличающийся тем, что прием и передачу разделяют во времени, чередуя их на периоде Т, причем принимают сигналы s_n(t) на относительно коротком интервале ∆T и когерентно продолжают эти сигналы на временной интервал T-ΔT передачи.