СПОСОБ ШИРОКОДИАПАЗОННОГО ФОРМИРОВАНИЯ КАРДИОИДНЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАЛОГАБАРИТНОЙ СВЕРХНАПРАВЛЕННОЙ АНТЕННЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2024 года по МПК H01Q9/00 

Изобретение относится к технике радиосвязи и может найти применение в конструкциях малогабаритных антенн, формирующих диаграмму направленности (ДН) типа кардиоида в качестве базовых элементов (БЭ) в составе фазированных антенных решеток высокочастотного (ВЧ) диапазона.

Широко известен классический способ формирования ДН такого типа с помощью комбинации двух малогабаритных излучателей (фиг. 1): элементарного магнитного излучателя (рамочного излучателя, фиг. 1а) и элементарного электрического излучателя (штыря) с соответствующим фазированием их возбуждающих напряжений (фиг. 1б) [1]. Известен также способ формирования «кардиоидной» ДН с использованием только рамочного излучателя. При этом осуществляется его возбуждение через дифференциальный трансформатор в режиме двухтактной волны (как рамку) и в режиме однотактной волны (как штырь, фиг. 1а) [1].

Основной недостаток отмеченных вариантов построения малогабаритных излучателей, имеющих «кардиоидную» ДН, заключается в следующем. Они обладают низкими показателями эффективности, к которым относятся: малая действующая высота (h_д) (фиг. 3 (3)) и недостаточный, вследствие этого, коэффициент усиления (КУ) G. Также к числу недостатков следует отнести и сложность реализации операций необходимого фазирования сигналов, формируемых антеннами, и их согласования в широком диапазоне частот без перестройки.

Поэтому эти варианты излучателей находят применение в диапазоне особо низких частот (ОНЧ) и низких частот (НЧ), где велик уровень внешних помех (в основном атмосферных). Из-за этого требования к действующей высоте антенны (h_д) и, соответственно, ее КУ снижены до значений 10^-10…10^-8 в ОНЧ диапазоне и до значений 10^-7…10^-5 в НЧ диапазоне. Для ВЧ диапазона уровень атмосферных помех существенно ниже, а ослабление уровня станционных помех обеспечивается пространственной селекцией сигналов, поэтому требования к действующей высоте (h_д) и КУ приемной антенны значительно возрастают. Применительно к КУ они определены значениями 10^-2…10^-1_.

Известен также способ формирования «кардиоидной» ДН с помощью антенной решетки, состоящей из двух вертикальных вибраторов (в том числе и малой электрической длины), разнесенных на расстояние d=λ/4 при запитке одного из них током с фазовым сдвигом ψ=|ϕ₁ - ϕ₂|=π/2 (фиг. 1б) [1]. При этом нуль ДН направлен в сторону излучателя, фаза тока которого опережает фазу тока другого излучателя. Из-за этого в сторону другого излучателя будет направлен максимум ДН, где поля будут синфазно складываться.

На фиг. 1б использованы следующие обозначения: 1 и 2 - первый и второй вертикальные вибраторы, соответственно; 3 - условие их разнесения на расстояние d=λ /4 при запитке одного из них током с фазовым сдвигом ψ =|ϕ₁ - ϕ₂|=π/2, что отражено на фиг. 1б обозначением цифрой 4. При этом вибраторы излучают комплексные составляющие тока электромагнитного поля: соответственно.

Недостатком этого варианта излучателя является необходимость изменения межвибраторного расстояния d при смене частоты, на основе которой осуществляется передача информации. Его проявление усугубляется тем, что большие абсолютные значения этого расстояния наблюдаются в нижней и в средней части ВЧ диапазона, в результате чего значения межвибраторного расстояния d находятся в следующих пределах: d=(25…7,5) м. По этой причине исключается возможность использования такой системы излучателей для одновременной работы в широкой полосе частот. Кроме того, в два раза увеличиваются геометрические размеры излучателя.

Также известно [2], что решение по созданию малогабаритного излучателя с ДН типа «кардиоида» при удовлетворении требований его широкополосности без необходимости изменения геометрических размеров вибраторов и межвибраторного расстояния d может быть найдено в классе так называемых сверхнаправленных излучателей. В рассмотренном выше базовом варианте двухвибраторной антенны такой режим сверхнаправленности теоретически может быть реализован при размещении вибраторов на расстоянии d << А друг от друга и питании одного из них током со сдвигом по фазе на градации, определяемые значениями относительно фазы тока ϕ₂ другого излучателя.

Недостатки технического решения, предлагаемого в [2], заключаются в следующем: 1) необходимости использования вибраторов и в формировании множества значений фаз ψ питания одного из них по отношению к фазе тока ϕ₂ другого излучателя; 2) в недостаточности коэффициента усиления формируемой диаграммы направленности. Кроме того, ее использование ограничено по отношению к требованному высокочастотному диапазону длин радиоволн λ.

Сущностные характеристики предлагаемого способа заключаются в том, что антенна должна быть малогабаритной, сверхнаправленной и одновременно адаптивной по отношению к широкому ВЧ диапазону длин радиоволн λ. При этом свойства адаптивности не должны быть связаны с изменением конструктивных особенностей антенны, что, например, в известных аналогах реализуют путем изменения расстояния d между вибраторами. В таком случае в сторону от излучателя, которым является согласованная нагрузка R_н=W, фаза тока которого опережает фазу тока другого вибратора, представленного на фиг. 2 в виде генератора или малошумящего усилителя (1) на ψ, также будет формироваться нуль ДН. Однако в отличие от описанного выше варианта [1] синфазного сложения полей, ориентированного в сторону другого излучателя, возможности обеспечения максимума ДН уже не будет. Такая ситуация обусловлена тем, что фазы электромагнитных полей от двух вибраторов будут определяться, исходя из неравенства 2π⋅в/λ<<π, и могут отличаться значительно: почти на 180°. Из-за этого не обеспечивается возможность достижения максимума ДН.

От этого недостатка можно избавиться, если малогабаритная и сверхнаправленная антенна будет иметь форму ромба, в острых углах которого размещают генератор или малошумящий усилитель (1) (фиг. 2), что предлагается в изобретении [3] «Малогабаритная сверхнаправленная антенна высокочастотного диапазона с кардиоидной диаграммой направленности» (патент RU №2577198, опубл. 10.03.2016, Бюл. №7). Она содержит вертикальные излучающие отрезки и отличается от известных аналогов тем, что вертикальные излучающие отрезки, в один из которых включен генератор или малошумящий усилитель, а в другой - нагрузка (фиг. 2), соединены двухпроводной линией (чего ранее не было) и разнесены на расстояние, меньшее четверти наименьшей длины волны рабочего диапазона d<λ/4. У прототипа антенны [3], формирующего «кардиоидную» ДН на основе вертикально расположенных вибраторов (фиг. 1б), это условие (3) было жестким и равным d=λ/4. При этом генератор или малошумящий усилитель, а также нагрузка должны обладать сопротивлением (R_H), равным волновому сопротивлению линии W: R_H=W. Однако это требование выполняют, в отличие от известных аналогов [1] и [2], на основе двухпроводной линии, которая имеет форму малогабаритного ромбического излучателя с тупым углом ромба (3), равным 2ϕ (фиг. 2). При этом действующая высота (1) и (2) вертикально расположенных вибраторов, равная h_д и обозначенная на фиг. 3 цифрой 3, существенно меньше длин вибраторов, показанных на фиг. 1. Они являются первичными источниками формирования кардиоидной ДН [1]. При этом плоскость ромба расположена вертикально относительно земли (фиг. 2). Такое ее расположение по отношению к земле предназначено для включения в механизм излучения или приема радиоволн помимо вертикальных отрезков также всех сторон ромба (фиг. 2), благодаря чему и обеспечиваются требуемые значения КУ антенны. В этом случае мощность излучения будет пропорционально проекциям на вертикальную ось координатной системы векторов токов, протекающих в длинных линиях, которыми являются стороны ромба, примыкающие к тупым его углам, равным 2ϕ и обозначенным на фиг. 2 цифрой 3. Двумя длинными линиями по отношению к частотам ВЧ диапазона они становятся вследствие того, что рассечены изолятором, разделяющим ромбовидную конструкцию антенны по большой диагонали.

При этом на фиг. 2 и фиг. 3, поясняющими работу антенны-прототипа [3] использованы следующие обозначения: 1 - генератор или малошумящий усилитель; 2 - нагрузка R_н, имеющая сопротивление, равное волновому сопротивлению двухпроводной линии W: R_н=W. Двухпроводную линию образуют двумя группами смежных плеч, рассеченных изолятором и обозначенных цифрой 7 с длиной каждого плеча L. Они образуют тупой угол, равный 2ϕ (обозначен на фиг. 2 цифрой 3), при этом расстояние между вертикальными отрезками 1 и 2 антенны равно r.

Но и при реализации изобретения [3], структурная схема которого приведена на фиг. 2, а эквивалентный электрический ее аналог на фиг. 3, устранение недостатка, относящегося к недостаточности КУ ДН, было также обеспечено за счет некоторого снижения эффективности антенной системы с вертикальной поляризацией поля. Эффект увеличения КУ достигнут в варианте сверхнаправленного излучателя, эквивалентная электрическая схема которого приведена на фиг. 3, реализованного на базе отрезка двухпроводной линии. В этом случае роль излучающих элементов, формирующих ДН с вертикальной поляризацией вектора , также выполняют вертикальные отрезки. В один из них включен источник (1) (фиг. 3) возбуждающего напряжения а в другой - согласованная нагрузка R_н=W (2). Длина плеча ромба L (7), а расстояние между вертикальными вибраторами - r (8) (фиг. 3).

Необходимые условия обеспечения работоспособности сверхнаправленной антенны ВЧ диапазона с «кардиодной» ДН также схематично представлены на фиг. 3 с пояснениями научно-методических принципов обеспечения требуемых режимов ее работоспособности. На фиг. 3 также приведены исходные данные (9), (10) и (11), необходимые для оценки его основных характеристик излучения (ДН действующая высота - L_д, коэффициент усиления - G).

На фиг. 4 представлена конструкция антенны, в которой реализован предлагаемый способ широкодиапазонного формирования кардиоидных диаграмм направленности. При этом использованы следующие обозначения: 1¹, 1² - или малошумящий усилитель; 2¹, 2² - ромбические элементы конструкции антенны; 3 - значение тупого угла ромбовидной конструкции антенны; 4 - металлическая 20 мм труба, закрепленная на основании. Отличительная особенность предлагаемой конструкции антенны заключается в том, что у нее в каждом из острых углов ромба расположены генераторы или малошумящие усилители. У изобретения-прототипа [3] в одном из углов помещалась нагрузка R_н, поэтому присутствовал только один генератор или малошумящий усилитель, который занимал второй (после размещения нагрузки) острый угол ромбовидной конструкции антенны. У предлагаемого способа каждый из генераторов или малошумящих усилителей выполняет еще и дополнительную функцию - он является эквивалентом нагрузки R_н по отношению к другому генератору или малошумящему усилителю. В результате этого антенна формирует не одну, как это было у прототипа [3], а две кардиоидные ДН, что продемонстрировано на фиг. 5а.

Работа антенны заключается в следующем. Выбирая значение максимального размера L_л двухпроводной линии меньшим четверти наименьшей λ_o длины волны рабочего диапазона, L_л<λ_o</4) и формируя бегущую волну путем обеспечения согласования сопротивлений малошумящего усилителя (генератора) и нагрузки R_н с волновым сопротивлением двухпроводной линии W в направлении нагрузки, реализуют в антенне режим сверхнаправленности. У предлагаемого изобретения дополнительную функцию нагрузки R_н, которую называют эквивалентной, выполняет по отношению к генератору или малошумящему усилителю второй его аналог, размещенный в противоположном остром углу ромбовидной конструкции малогабаритной широкодиапазонной сверхнаправленной антенны.

При этом сверхнаправленность антенны достигается тем, что обеспечивают почти полное вычитание полей, формируемых вертикальными излучающими отрезками, в расширенном диапазоне частот с 18…20 - кратным перекрытием того, что могут обеспечить аналоги, основу построения которых составляют только вибраторы [1, 2]. Одновременно в противоположном направлении указанные поля складываются, за счет чего формируют ДН типа «кардиоида» в широком диапазоне частот с максимум ДН, направленными в сторону нагрузки (в предлагаемом изобретении в сторону того генератора или малошумящего усилителя, который выполняет дополнительную функцию эквивалентной нагрузки R_н).

Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эффективности и качества согласования «кардиоидной» антенны в широком диапазоне частот за счет реализации сверхнаправленности [2] и эффекта бегущей волны [3].

Изобретение [3] выбрано в качестве прототипа. В других аналогах [1, 2] возможность формирования одиночной «кардиоидной» ДН появляется только в частном случае, рассмотренном на фиг. 1б, когда используют два вибратора, размещенных по отношению друг к другу на расстоянии d=λ/4. При использовании антенны ромбической формы, предлагаемой в изобретении [3], она расширена. Появляется дополнительная возможность формирования не одной, а двух ДН, которые используются для приема информации на различных частотах, в реверсивном направлении, что подтверждается их иллюстрациями, приведенными на фиг. 5 для частот 3, 6, 12 и 24 МГц.

Сущностные характеристики изобретения [3], выбранного в качестве прототипа, заключаются в следующем. Из анализа графиков, приведенных на фиг. 5, следует, что при использовании изобретения [3] коэффициент усиления ДН становится близким к оптимальному, линейно возрастающему в диапазоне изменения ее направленности от 0° до 180°. Ее преимущество по сравнению с формирователем ДН на основе вибраторов (фиг. 1б) заключается в возможности формирования при выбранном значении d ДН типа кардиоида в широком диапазоне частот. При этом конструкция антенны и определяющие ее размеры остаются неизменными, благодаря этому у нее появляются свойства адаптивности (приспособления к различным рабочим частотным диапазонам).

Но недостаток антенны-прототипа [3] заключается в том, что соотношение сигнал/шум, формируемое на ее выходе, может быть недостаточным для обеспечения устойчивой радиосвязи одновременно в двух реверсивных направлениях.

Сущностные характеристики заявляемого изобретения заключаются в том, что во втором остром углу ромбовидной конструкции малогабаритной сверхнаправленной антенны вместо нагрузки Rн с волновым сопротивлением двухпроводной линии W: Rн=W, установлен второй генератор (малошумящий усилитель), который по отношению к первому генератору (малошумящему усилителю), используемому в изобретении-прототипе [3], обладает дополнительными свойствами нагрузки Rн, согласованной с волновым сопротивлением двухпроводной линии W: Rн=W. Также сущностные характеристики изобретения состоят в реализации зеркального принципа построения малогабаритной сверхнаправленной антенны, состоящего в том, что первый генератор или малошумящий усилитель (1¹), размещенный в первом остром углу ромбовидной конструкции малогабаритной сверхнаправленной антенны, становится, помимо основной функции, также нагрузкой Rн, согласованной с волновым сопротивлением двухпроводной линии W: Rн=W, но по отношению ко второму генератору или малошумящему усилителю (1²). При этом формируемые первым и вторым генератором или малошумящим усилителем токи являются противоположными по фазе (сдвинуты друг относительно друга по фазе на 90°). В результате этого, формируемые в направлении острых углов ромбовидной конструкции малогабаритной сверхнаправленной антенны «кардиоидные» ДН оказываются противоположно направленными, а их количество увеличивается в 2 раза (фиг. 5а).

Сущностные характеристики предлагаемого изобретения также заключаются в том, что при его реализации обеспечивают противоположную симметричность формирования бегущей волны путем использования не одного, а двух генераторов или малошумящих усилителей. При этом обеспечивают реализацию следующих сущностных характеристик нового изобретения: почти полного вычитания электромагнитных полей, формируемых вертикальными излучающими отрезками, в диапазоне частот с 18…20 -кратным перекрытием достижения, получаемого при использовании изобретения-прототипа [3]. Соответственно, в противоположном направлении указанные поля складываются, за счет чего формируется ДН типа «кардиоида» в широком диапазоне частот. Дополнительный технический эффект достигают при этом путем обеспечения качественного согласования между излучающими вертикальными отрезками с включенными в каждый из них генератора или малошумящего усилителя и подключенной к ним длинной линией, которой становится смыкающиеся линии (L) ромба (2¹) и (2²), согласованные с волновым сопротивлением. Также при этом обеспечивают уменьшение реактивности поля антенны в ближней зоне, что улучшает ее согласование со средствами приема информации. Дополнительно с целью увеличения действующей высоты и КУ излучателя двухпроводной линии придают форму малогабаритного ромбического излучателя с двумя идентичными генераторами или малошумящими усилителями при расположении плоскости ромба вертикально относительно земли. Увеличение действующей высоты и КУ излучателя достигается за счет включения в механизм излучения помимо вертикальных проводов также всех сторон ромба пропорционально проекциям векторов тока на вертикальную ось координатной системы. При этом устойчивость и широкодиапазонность формирования ДН типа «кардиоида» обеспечивают при различных частотах передачи информации. На фиг. 5б показан их вид при следующих частотах излучаемого сигнала: 3, 6, 12 и 24 МГц.

Конструктивно обеспечение эффекта сверхнаправленности при этом достигается совместным выбором длины плеча L двухпроводной линии в форме вертикального малогабаритного ромбического излучателя (L=λ_о</(4…5)), угла 2ϕ, образованного двумя смежными плечами (2ϕ=120±5 градусов), и диаметра d металлической трубки вертикального малогабаритного ромбического излучателя (d>0,002λ_о).

Предлагаемую малогабаритную сверхнаправленную антенну высокочастотного диапазона используют также в качестве базового элемента (БЭ) фазированной антенной решетки (ФАР). Одна из линеек такой ФАР, включающая в себя 8 БЭ (N=8), каждый из которых представляет собой малогабаритную сверхнаправленную антенну высокочастотного диапазона, приведена на фиг. 6.

Отмеченные сущностные характеристики позволяют сформулировать следующую формулу изобретения.

1. Способ формирования кардиоидных диаграмм направленности с использованием малогабаритной сверхнаправленной антенны высокочастотного диапазона на основе вертикально излучающих отрезков, в один из которых включен генератор или малошумящий усилитель, а в другой, противоположный, - нагрузка, при этом вертикально расположенные отрезки соединены двухпроводной линией и разнесены на расстояние, меньшее четверти наименьшей длины волны рабочего диапазона частот, отличающийся тем, что вместо нагрузки, согласованной с волновым сопротивлением двухпроводной линии, подключен второй генератор или малошумящий усилитель, который по отношению к первому генератору или малошумящему усилителю также обладает дополнительными свойствами нагрузки, согласованной с волновым сопротивлением двухпроводной линии, в результате чего выполнено условие существования бегущей волны, формируемой в обоих направлениях острых углов ромбовидной конструкции малогабаритной сверхнаправлениях острых углов ромбовидной конструкции малогабаритной сверхнаправленной антенны с кардиоидными диаграммами направленности, из-за чего они оказываются противоположно симметричными, а их количество увеличивается вдвое, в результате чего обеспечивают повышение следующих характеристик систем передачи данных ВЧ диапазона: устойчивости организации связи, увеличения числа секторов приема, доступности и достоверности получаемой информации.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что малогабаритную сверхнаправленную антенну высокочастотного диапазона используют также в качестве базового элемента фазированной антенной решетки с числом формируемых сигналов N×N, которые предварительно фазируют с использованием соответствующих линий задержек и суммируют для увеличения коэффициента усиления формируемых диаграмм направленности.

Источники литературы

1. Антенны, часть 1. Под ред. Ю.К. Муравьева. - Л.: ВКАС, 1963.

2. Минкович Б.М., Яковлев В.П. Теория синтеза антенн. - М.: Сов. радио, 1969.

3. Малогабаритная сверхнаправленная антенна высокочастотного диапазона с кардиоидной диаграммой направленности» (патент RU №2577198, опубл. 10.03.2016, Бюл. №7).

Изобретение относится к радиосвязи, в частности к малогабаритным антеннам, формирующим диаграмму направленности (ДН) типа кардиоида. Технический результат - одновременный многочастотный всенаправленный прием с высоким уровнем подавления задних лепестков ДН и повышение устойчивости радиосвязи. Результат достигается тем, что предложен способ формирования кардиоидных ДН с использованием малогабаритной сверхнаправленной антенны ВЧ диапазона на основе вертикально излучающих отрезков, в один из которых включен генератор или малошумящий усилитель, а в другой, противоположный, - нагрузка, при этом вертикально расположенные отрезки соединены двухпроводной линией и разнесены на расстояние, меньшее четверти наименьшей длины волны рабочего диапазона частот, отличающийся тем, что вместо нагрузки, согласованной с волновым сопротивлением двухпроводной линии, подключен второй генератор или малошумящий усилитель, который по отношению к первому генератору или усилителю также обладает свойствами нагрузки, согласованной с волновым сопротивлением двухпроводной линии. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ формирования кардиоидных диаграмм направленности с использованием малогабаритной сверхнаправленной антенны высокочастотного диапазона на основе вертикально излучающих отрезков, в один из которых включен генератор или малошумящий усилитель, а в другой, противоположный, - нагрузка, при этом вертикально расположенные отрезки соединены двухпроводной линией и разнесены на расстояние, меньшее четверти наименьшей длины волны рабочего диапазона частот, отличающийся тем, что вместо нагрузки, согласованной с волновым сопротивлением двухпроводной линии, подключен второй генератор или малошумящий усилитель, который по отношению к первому генератору или малошумящему усилителю также обладает дополнительными свойствами нагрузки, согласованной с волновым сопротивлением двухпроводной линии, в результате чего выполнено условие существования бегущей волны, формируемой в обоих направлениях острых углов ромбовидной конструкции малогабаритной сверхнаправленной антенны с кардиоидными диаграммами направленности, из-за чего они оказываются противоположно симметричными, а их количество увеличивается вдвое, в результате чего обеспечивают повышение следующих характеристик систем передачи данных ВЧ диапазона: устойчивости организации связи, увеличения числа секторов приема, доступности и достоверности получаемой информации.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что малогабаритную сверхнаправленную антенну высокочастотного диапазона используют также в качестве базового элемента фазированной антенной решетки с числом формируемых сигналов N×N, которые предварительно фазируют с использованием соответствующих линий задержек и суммируют для увеличения коэффициента усиления формируемых диаграмм направленности.