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

Изобретение относится к технике радиосвязи и может найти применение в конструкции композиционных малогабаритных направленных антенн, используемых в составе фазированных антенных решеток (ФАР) высокочастотного (ВЧ) диапазона, обеспечивающих одновременный многочастотный всенаправленный прием с высоким уровнем подавления задних лепестков диаграммы направленности (ДН).

Для достижения высоких значений указанных параметров необходимо использовать базовые излучатели не с круговой ДН, а изначально имеющие ДН с направленными свойствами, например «кардиоидные» ДН.

А для эффективного всенаправленного приема нужно еще иметь возможность одновременного формирования набора ДН, например с азимутальной ориентацией максимума ДН в направлении 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270° и 315°.

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 одно-тактной 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 << λ друг от друга и питании одного из них током со сдвигом по фазе на градации, определяемые значениями ψ=|ϕ₁ - ϕ₂|= π - 2π⋅6/λ 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.

Требования к сущностным характеристика предлагаемого способа заключаются в том, что антенна должна быть малогабаритной, сверхнаправленной и одновременно адаптивной по отношению к широкому ВЧ диапазону длин радиоволн λ. При этой 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⋅d/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. Но 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 повышена 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, поясняющих работу антенны-прототипа [3], использованы следующие обозначения: 1 - генератор или малошумящий усилитель; 2) нагрузка R_H, имеющая сопротивление, равное волновому сопротивлению двухпроводной линии W: R_H=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 ε*, а в другой - согласованная нагрузка R_H=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 (θ, ϕ), действующую высоту - L_д, коэффициент усиления (КУ) - G).

На фиг. 4 представлена конструкция такой антенны, в которой реализован предлагаемый способ широкодиапазонного формирования кардиоидных диаграмм направленности реализован только за счет установки во втором остром угле ее ромбовидной конструкции вместо нагрузки R_H второго генератора или малошумящего усилителя. В этом заключается первое принципиальное отличие (сущностная характеристика) предлагаемого построения базового элемента антенны от его прототипа, приведенного в [3]. Это нововведение отображено на фиг. 4, где использованы следующие обозначения: 1¹, 1², 1³, 1⁴ - ромбические элементы конструкции антенны; 2¹, 2² - генераторы или малошумящие усилители; 3 - значение тупого угла ромбовидной конструкции антенны; 4 - металлическая 20 мм труба, закрепленная на основании, 5 - изолятор.

Таким образом, первая отличительная особенность предлагаемой конструкции антенны заключается в том, что у нее в каждом из острых углов ромба расположены генераторы или малошумящие усилители 2¹, 2². Плечи ромбовидной конструкции 1 и 1, длины L. По отношению к противоположно расположенным аналогам 1³ и 1⁴ они изолированы изолятором 5 и вместе образуют двухпроводную линию (фиг. 4). У изобретения-прототипа [3] в одном из острых углов помещалась нагрузка R_H, 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 малошумя-щих усилителей выполняет еще и дополнительную функцию - он является эквивалентом нагрузки R_H по отношению к другому генератору или мало-шумящему усилителю. В результате этого отсутствует необходимость использования специально вводимой нагрузки R_H, в результате чего антенна формирует не одну, как это было у прототипа [3], а две кардиоидные ДН, что продемонстрировано на фиг. 5(a).

В техническом решении [2], реализующем принципы использования вибраторов для формирования «кардиоидной» ДН, одиночную «кардиоидную» ДН формируют только в частном случае, рассмотренном на фиг. 1б, когда используют два вибратора, размещенные по отношению к друг другу на расстоянии d=λ/4. При использовании антенны ромбической формы, предлагаемой в изобретении [3], 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(б) для частот 3, 6, 12 и 24 МГц.

Однако для обеспечения требований существенного повышения коэффициента усиления (КУ) ДН во всех направлениях приема информации необходимо использование и других технических решений проблемы повышения устойчивости связи и достоверности получаемой информации.

Для этого базовую ромбическую малогабаритную сверхнаправленную антенну, представленную на фиг. 4, дополняют второй такой же ее конструкцией (фиг. 6(a)), размещенной на той же трубе. В этом также заключаются сущностные характеристики предлагаемого изобретения. Плоскость второй антенны, вертикальная по отношению к земле, развернута относительно плоскости первой ромбовидной антенной конструкции на 90°, поэтому появляется возможность формирования кардиоидных ДН в четырех основных направлениях приема информации, что показано на фиг. 7. Такая антенная становится композиционной из-за предлагаемого дополнения исходной антенной конструкции, приведенной на фиг. 4, второй ортогональной ромбической малогабаритной сверхнаправленной антенной (фиг. 6(a)).

Такое построение базовой композиционной ромбической малогабаритной сверхнаправленной антенны, вид которой представлен на фиг. 6(б), также способствует дополнительной возможности увеличения числа кардиои-дных ДН. Но основополагающий принцип увеличения числа кардиоидных ДН становится другим по отношению к ранее рассмотренному случаю. Его основу составляет не дополнительное насыщение исходной конструкции ромбовидной малогабаритной сверхнаправленной антенны, изображенной на фиг. 4, такими же ее копиями, плоскости которых развернуты, а суммирование сигналов, которые формирует предлагаемая композиционная антенна (фиг. 6).

При этом на фиг. 6(a) использованы следующие обозначения: 1¹, 1², 1³, 1⁴ - плечи ромбовидной конструкции, имеющие длину L каждое; 2¹, 2², 2³, 2⁴ - генераторы или малошумящие усилители композиционной антенны; 3 - угол 120°; 4 - труба, прикрепленная к основанию, к которой прикрепляют предлагаемую в изобретении композиционную ромбовидную малогабаритную сверхнаправленную антенну.

Работа каждого вида малогабаритной сверхнаправленной антенны ромбической формы заключается в следующем. Выбирая значение максимального размера двухпроводной линии L_л=2L, где L -длина плеча ромба, меньшим четверти наименьшей Xq длины волны рабочего диапазона L_л<λ₀/4, формируют бегущую волну путем обеспечения согласования сопротивлений малошумящего усилителя (генератора) и нагрузки R_H, в предлагаемом изобретении не непосредственной, а эквивалентной, с волновым сопротивлением двухпроводной линии W, каждая из которых представлена у ромбовидной конструкции антенны плечами длиною L каждая с тупым углом 2ϕ между ними. Относительно друг друга они изолированы изолятором 5, изображенным на фиг. 5. Бегущую волну формируют в направлении нагрузки R_H, в нашем случае эквивалентной, в направлении того генератора или малошумящего усилителя, который выполняет дополнительную функцию согласованной нагрузки. В результате этого реализуют в антенне режим сверхнаправленности. При этом сверхнаправленность антенны достигается тем, что обеспечивают почти полное вычитание полей, формируемых вертикальными излучающими отрезками, в широком диапазоне частот с 18…20 -кратным перекрытием того, что могут обеспечить аналоги с использованием вибраторов [1,2]. Одновременно в противоположном направлении указанные поля складываются, за счет чего формируется одна ДН типа «кардиоида» в широком диапазоне частот с максимумом ДН, направленным в сторону нагрузки (в предлагаемом изобретении в сторону того генератора или малошумящего усилителя, который выполняет дополнительную функцию эквивалентной нагрузки R_H).

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, размещенные 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(б) для частот 3,6, 12 и 24 МГц.

Сущностные характеристики заявляемого изобретения по п. 1 заключаются в том, что на одном основании, на котором закреплена труба, поддерживающая малогабаритную сверхнаправленную антенну высокочастотного диапазона ромбической формы в изначально выставленном по отношению к земле вертикальном положении и рассеченными пополам на уровне большой диагонали ромба изолятором от утечки электрических токов, при этом к той же трубе дополнительно прикреплена такая же ромбовидная антенна, плоскость которой развернута по отношению к первой на 90°. Такая антенна, в соответствии с принятыми принципами построения, становится композиционной, так как объединяет на одной и той же основе, укрепленной на ней трубе, две ортогональные малогабаритные сверхнаправленные антенны ВЧ диапазона ромбической формы, с установленными в острых углах 4-мя усилителями. В результате этого в четыре раза увеличивается количество одновременно формируемых «кардиоидных» ДН, имеющих ориентацию максимумов ДН в азимутальных направлениях 0°, 90°, 180°, 270° (фиг. 7). Благодаря этому обеспечивают повышение следующих показателей эффективности систем передачи данных (СПД) ВЧ диапазона:

1) устойчивости радиосвязи;

2) достаточности, доступности и достоверности получаемой информации.

Сущностные характеристики изобретения в соответствии с зависимым п. 2 формулы изобретения заключаются также в том, что способ формирования «кардиоидной» ДН по п. 1 рассматривают как базовый элемент (БЭ), составляющий основу построения адаптивных ФАР. Пример построения ФАР с минимальным числом N=2 базовых антенных элементов, равных N × N=4, приведен на фиг. 8. При этом каждый базовый элемент представляет собой композиционную малогабаритную сверхнаправленную антенну высокочастотного диапазона ромбической формы (фиг. 6). Отличительные особенности такого построения ФАР заключаются в том, что ДН, формируемые входящими в ее состав соседними ромбовидными антенными элементами, развернуты друг относительно друга не на 90°, как это представлено на фиг. 6, а на 45° (фиг. 8). Такой принцип их формирования способствует увеличению показателя отношения сигнал/шум при изменении направлений приема передаваемых сигналов. Также прием сигналов характеризуется, как широкодиапазонный, поскольку каждая из ромбовидных антенн формирует устойчивые «кардиовидные» ДН на различных частотах приема информации. Примером устойчивости картины формирования «кардиовидных» ДН на различных частотах приема информации являются иллюстрации, приведенные на фиг. 5(б) для несущих частот передачи информации 3, 6, 12 и 24МГц.

Кроме того, сущностные характеристики заявляемого изобретения заключаются в том, что антенну по п. 1, используют в качестве базового элемента ФАР (фиг. 8).

Также в рамках данного изобретения могут быть применены различные варианты построения ФАР, отличающиеся тем, что в них использованы:

1) различные плоскости направленности антенн в базовых излучателей ФАР, отстоящие друг от друга на 90° и 45° (фиг. 8), соответственно, благодаря чему увеличивают множество формируемых «кардиоидных» ДН, многообразие форм которых увеличивается при использовании различных частот передачи информации ВЧ диапазона радиоволн;

2) повышенные характеристики всенаправленности формируемого множества «кардиоидных» ДН, в том числе и при применении различных частот передачи информации (фиг. 5(б)).

На фиг. 8 использованы следующие обозначения: А_1к, А_2к, А_3к и А_4к -базовые элементы (БЭ) ФАР (N×N), где N=2 - число строк и столбцов при матричном представлении БЭ ФАР. При этом БЭ представляют собой композиционные малогабаритные сверхнаправленные антенны ВЧ диапазона ромбической формы (фиг. 6). Каждая из композиционных антенн А_1к, А_2к, А_3к и А_4к представлена двумя ортогональными ромбовидными малогабаритными антеннами, обозначенными на примере A_1к, как А₁₁ и A₁₂. При этом 1_i, i=1, 2, 3, 4 - генераторы или малошумящие усилители, а 2_i, i=1, 2, 3, 4 - ребра композиционной антенны ромбической формы; 3 - коаксиальный кабель РК75-9-13; 4 - основания, установленные в углах квадрата, определяющего границы ФАР (N×N); 5 - аппаратура формирования и коммутации, размещенная в сооружении.

На фиг. 9(a), в качестве примера, представлены «кардиоидные» ДН, сформированные композиционным элементом ФАР - A_1к, где 1₁ и 1₃ - ДН, сформированные на определенной частоте передачи информации (3 МГц) при использовании в первой ромбовидной антенне А₁₁ двух генераторов, расположенных в острых углах ромба (фиг. 8), а 1₂ и 1₄ - ДН, сформированные на той же частоте во второй (ортогональной) ромбовидной антенне A₁₂. Подобные сформированные ДН также отмечены и на фиг. 9(a).

Выявленные сущностные характеристики позволяют составить следующую формулу изобретения.

1. Способ формирования кардиоидных диаграмм направленности с использованием композиционной малогабаритной сверхнаправленной антенны высокочастотного диапазона на основе вертикально излучающих отрезков, в пределах которых находятся подключенные первый и второй генератор или малошумящий усилитель, соединенные между собой двухпроводной линией и разнесенные по отношению друг к другу на расстояние, меньшее четверти наименьшей длины волны рабочего диапазона частоты передаваемого сигнала, а генератор или малошумящий усилитель имеют эквивалентное сопротивление, равное волновому сопротивлению двухпроводной линии, при этом двухпроводная линия имеет форму малогабаритного ромбического излучателя при расположении плоскости ромба вертикально относительно земли для включения в механизм излучения или приема радиоволн, помимо вертикальных отрезков, также всех сторон ромба пропорционально проекциям векторов тока двухпроводной линии на вертикальную ось координатной системы, отличающийся тем, что, помимо одной малогабаритной сверхнаправленной антенны ВЧ диапазона ромбической формы, установленной на трубе с основанием, поддерживающим ее в изначально выставленном по отношению к земле вертикальном положении, рассеченной в средней части изолятором, размещают такую же другую, плоскость которой развернута по отношению к первой на 90°, благодаря чему формируют дополнительные ортогональные две диаграммы направленности «кардиоидного» типа, а всего четыре, и обеспечивают повышение следующих характеристик систем передачи данных в высокочастотном диапазоне радиоволн: устойчивости организации связи, достаточности, доступности и достоверности получаемой информации.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на основе композиционной широкодиапазонной малогабаритной сверхнаправленной антенны высокочастотного диапазона, используемой в качестве базового антенного элемента, осуществляют построение фазированной антенной решетки с числом элементов N × N, в которой принятые сигналы, формируемые в каждом ромбовидном базовом элементе антенны, после операции их фазирования, заключающейся в приведении фаз сигналов, формируемых отдельными базовыми N × N ромбовидными элементами фазированной антенной решетки, к единым временным моментам, суммируют, в результате чего формируют «кардиоидные» диаграммы направленности фазированной антенной решетки, в результате чего обеспечивают сверхнаправленность антенны, повышают ее избирательность и коэффициент усиления.

Для обеспечения выполнения заявленных сущностных характеристик в предлагаемом способе элементы ФАР выполняют на основе двухпроводной линии, где функции излучающих элементов, формирующих ДН с вертикальной поляризацией вектора, берут на себя вертикальные отрезки, в которые включены генератор или малошумящий усилитель, перекрестно выполняющие, кроме того, по отношению друг к другу функции эквивалентной нагрузки R_н, при этом сопротивления генераторов или малошумящих усилителей согласованы с «длинной линией» и равны ее волновому сопротивлению W.

Для появления у антенны свойства сверхнаправленности необходимо, чтобы максимальный размер Lл двухпроводной линии составлял величину, меньшую четверти наименьшей λ₀ длины волны рабочего диапазона: Lл<λ₀/4. Кроме того, должно быть выполнено условие формирования бегущей волны, чего достигают на основе обеспечения перекрестного согласования сопротивлений генераторов или малошумящих усилителей с волновым сопротивлением двухпроводной длинной линии W в направлении нагрузки. В результате этого обеспечивают достижение следующих сущностных характеристик изобретения: почти полного вычитания электромагнитных полей, формируемых вертикальными излучающими отрезками, в диапазоне частот с 18…20 - кратным перекрытием достижений других выявленных аналогов. Соответственно, в противоположном направлении указанные поля складываются, за счет чего формируется ДН типа «кардиоида» в широком диапазоне частот. Кроме этого, улучшают показатели согласования ФАР со средствами приема информации. Данный технический эффект достигают путем обеспечения качественного согласования между излучающими вертикальными отрезками с включенными в них генераторами или малонгу-мящими усилителями и длинной линией. При этом понятие «длинной линии» расширяют .В нее включают фидеры (Ф) и излучатели (И) ФАР. В результате этого обеспечивают уменьшение реактивности поля антенны в ближней зоне, что улучшает ее согласование со средствами приема информации. Дополнительно с целью увеличения действующей высоты и коэффициента усиления (КУ) излучателя двухпроводной линии придают форму малогабаритного ромбического излучателя с нагрузкой 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. Конструктивно обеспечение эффекта сверхнаправленности при этом достигается совместным выбором длины плеча L двухпроводной линии в форме вертикального малогабаритного ромбического излучателя (L=λ₀/(4…5)), угла 2ϕ, образованного двумя смежными плечами (2ϕ=120±5 градусов) и диаметра d металлической трубки вертикального малогабаритного ромбического излучателя (d>0,002λ₀).

Уточненные сущностные характеристики предполагаемого изобретения заключаются в следующем. Базовым элементом антенны композиционной является элемент ромбический, состоящий из двух многофункциональных излучателей типа «излучатель ромбический», каждый из которых формирует одновременно две ДН типа «кардиоида» с высоким уровнем подавления помех в задней полусфере. Два излучателя ромбических размещены на одной опоре ортогонально друг другу: их плоскости развернуты относительно друг друга на 90°.

Излучатель ромбический представляет собой электрически короткий (максимальный размер много меньше длины волны) излучатель ромбического типа, плоскость которого расположена перпендикулярно к поверхности земли.

Полотно излучателя, выполненного из стальной трубы диаметром 20 мм, закреплено (через изоляторы) на вертикальной металлической опоре, рассеченной в средней части изолятором. Опора крепится к грунту с помощью оттяжек (металлических тросов), также рассеченных изоляторами.

К проводникам излучателя в каждом остром углу ромба подключен широкополосный антенный усилитель, с входным сопротивлением равным волновому, 75-омный выход которого с помощью коаксиального радиочастотного кабеля РК75-9-13 (3, фиг. 8) подключается к аппаратуре формирования и коммутации 5, расположенной внутри станционной части объекта применения.

Также сущностные характеристики состоят в том, что при использовании предлагаемой в изобретении композиционной ромбовидной антенны (фиг. 6) четыре «кардиоидные» ДН формируют непосредственно с применением антенных излучателей- генераторов или малошумящих усилителей, а другие четыре ДН, близкие по форме к ДН типа «кардиоида», формируют с помощью сумматоров, на которые поступают сигналы от четырех антенных модулей-усилителей в сочетаниях, соответствующих необходимой (определенной) ориентации сформированной ДН. Эта операция обеспечивает возможность «вращения» ДН с шагом 45° при использовании только заявляемой композиционной ромбовидной антенны (фиг. 9(a)). Кроме того, при использовании тех же двух излучателей композиционной ромбовидной антенны с участием четырех антенных модулей-усилителей также дополнительно формируют две слабонаправленные ДН типа «круг» (фиг. 9(б)). По форме их можно считать идентичными, но, так как они сформированы различными физическими излучателями, то их использование способствует дополнительному повышению показателей надежности антенного комплекса и устойчивости приема информации, в целом. В результате этого сформированные кардиоидные ДН (фиг. 9(a)) оказываются дополненными и дополнительными двумя слабонаправленными ДН типа «круг» (фиг. 9(б)).

Данная сущностная характеристика заявляемого изобретения позволяет сформулировать очередной дополнительный пункт формулы изобретения.

3. Способ по п. 1, заключающийся в том, что при использовании композиционной ромбовидной антенны четыре «кардиоидные» диаграммы направленности формируют непосредственно с использованием антенных излучателей - генераторов или малошумящих усилителей, а другие четыре диаграммы направленности, близкие по форме к диаграммам направленности типа «кардиоида», формируют с помощью сумматоров, на которые поступают сигналы от четырех антенных модулей-усилителей в сочетаниях, соответствующих определенной ориентации сформированной диаграммы направленности, что обеспечивает возможность «вращения» диаграмм направленности с шагом 45°, помимо этого при использовании тех же двух излучателей композиционной ромбовидной антенны с участием четырех антенных модулей-усилителей также дополнительно формируют две слабонаправленные диаграммы направленности типа «круг», идентичные по форме, использование которых повышает показатели надежности антенного комплекса и устойчивости приема информации, в целом.

Также необходимо отметить, что формирование ДН композиционной ромбовидной сверхнаправленной антенной ВЧ диапазона, смонтированной на том же основании, что и у изобретения-прототипа [3], но с участием четырех антенных модулей - усилителей, обеспечивает возможность дополнительного повышения показателей надежности антенного комплекса и устойчивости приема информации, в целом.

Результаты расчетов показывают, что, несмотря на малые геометрические размеры композиционной ромбовидной сверхнаправленной антенны (L<<λ), ее использование обеспечивает существенное повышение помехозащищенности передаваемой и принимаемой информации по сравнению с известными техническими решениями, включающими в себя изобретение-прототип [3]. Кроме того, заявляемая антенна хорошо согласуется с линией питания (коэффициент бегущей волны более 0,6 при коэффициенте перекрытия диапазона частот, равном 20), благодаря чему обеспечивается возможность ее использования без перестройки в широком диапазоне частот.

Интегральная сущностная характеристика предлагаемого изобретения заключается в высокой стабильности основных характеристик приемных антенн, к числу которых относятся формируемые ДН и качество согласования во всем диапазоне частот. Эта отличительная особенность обеспечивает возможность эффективного применения композиционной широкодиапазонной малогабаритной сверхнаправленной антенны в составе ФАР, обеспечивающих одновременный всенаправленный прием информации на нескольких частотах ВЧ диапазона.

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 композиционным малогабаритным направленным антеннам для фазированных антенных решеток ВЧ-диапазона. 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 композиционной малогабаритной сверхнаправленной антенны ВЧ-диапазона на основе вертикально излучающих отрезков, в пределах которых находятся подключенные первый и второй генераторы или малошумящий усилитель, соединенные между собой двухпроводной линией и разнесенные по отношению друг к другу на расстояние, меньшее четверти наименьшей длины волны рабочего диапазона частоты передаваемого сигнала, а генератор или малошумящий усилитель имеют эквивалентное сопротивление, равное волновому сопротивлению двухпроводной линии, при этом двухпроводная линия имеет форму ромбического излучателя при расположении плоскости ромба вертикально относительно земли для включения в механизм излучения или приема радиоволн. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ формирования кардиоидных диаграмм направленности с использованием композиционной малогабаритной сверхнаправленной антенны высокочастотного диапазона на основе вертикально излучающих отрезков, в пределах которых находятся подключенные первый и второй генераторы или малошумящий усилитель, соединенные между собой двухпроводной линией и разнесенные по отношению друг к другу на расстояние, меньшее четверти наименьшей длины волны рабочего диапазона частоты передаваемого сигнала, а генератор или малошумящий усилитель имеют эквивалентное сопротивление, равное волновому сопротивлению двухпроводной линии, при этом двухпроводная линия имеет форму малогабаритного ромбического излучателя при расположении плоскости ромба вертикально относительно земли для включения в механизм излучения или приема радиоволн, помимо вертикальных отрезков, также всех сторон ромба пропорционально проекциям векторов тока двухпроводной линии на вертикальную ось координатной системы, отличающийся тем, что, помимо одной малогабаритной сверхнаправленной антенны ВЧ-диапазона ромбической формы, установленной на трубе с основанием, поддерживающим ее в изначально выставленном по отношению к земле вертикальном положении, рассеченной в средней части изолятором, размещают такую же другую, плоскость которой развернута по отношению к первой на 90°, благодаря чему формируют дополнительные ортогональные две диаграммы направленности «кардиоидного» типа, а всего четыре, и обеспечивают повышение следующих характеристик систем передачи данных в высокочастотном диапазоне радиоволн: устойчивости организации связи, достаточности, доступности и достоверности получаемой информации.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на основе композиционной широкодиапазонной малогабаритной сверхнаправленной антенны высокочастотного диапазона, используемой в качестве базового антенного элемента, осуществляют построение фазированной антенной решетки с числом элементов N × N, в которой принятые сигналы, формируемые в каждом ромбовидном базовом элементе антенны, после операции их фазирования, заключающейся в приведении фаз сигналов, формируемых отдельными базовыми N × N ромбовидными элементами фазированной антенной решетки, к единым временным моментам, суммируют, в результате чего формируют «кардиоидные» диаграммы направленности фазированной антенной решетки, в результате чего обеспечивают сверхнаправленность антенны, повышают ее избирательность и коэффициент усиления.

3. Способ по п. 1, заключающийся в том, что при использовании композиционной ромбовидной антенны четыре «кардиоидные» диаграммы направленности формируют непосредственно с использованием антенных излучателей - генераторов или малошумящих усилителей, а другие четыре диаграммы направленности, близкие по форме к диаграммам направленности типа «кардиоида», формируют с помощью сумматоров, на которые поступают сигналы от четырех антенных модулей-усилителей в сочетаниях, соответствующих определенной ориентации сформированной диаграммы направленности, что обеспечивает возможность «вращения» диаграмм направленности с шагом 45°, помимо этого при использовании тех же двух излучателей композиционной ромбовидной антенны с участием четырех антенных модулей-усилителей также дополнительно формируют две слабонаправленные диаграммы направленности типа «круг», идентичные по форме, использование которых повышает показатели надежности антенного комплекса и устойчивости приема информации, в целом.