СПОСОБ НАСТРОЙКИ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК КВ-ДИАПАЗОНА Российский патент 2024 года по МПК H01Q21/06 

Настоящее изобретение относится к области радиотехники, антенной технике и может быть использовано при настройке активных фазированных антенных решеток (АФАР) в составе стационарных и мобильных передающих комплексов коротковолновой радиосвязи и радиоэлектронной борьбы с целью:

- увеличения эффективной изотропной излучаемой мощности (ЭИИМ) (повышение энергопотенциала радиолинии) и, как следствие, увеличения дальности радиосвязи, помехоустойчивости KB радиоканала;

- сокращения площади антенного поля и сокращения числа одиночных антенн (АФУ) вследствие обеспечения АФАР охвата большего сектора гарантированного обслуживания за счет сканирования главного лепестка диаграммы направленности;

- варьирования количества одновременно работающих радиоканалов за счет гибкого использования антенн, как в составе АФАР, так и режиме автономной работы.

Известен (патент № 2475903) фазовый способ управления режимами работы фазированной антенной решетки основанный на распределении СВЧ-сигналов по квадрантам апертуры с последующим разведением их, используя распределительную систему, по отдельным излучающим элементам в режиме передачи, суммировании их в отдельных квадрантах с последующей подачей результирующих сигналов от квадрантов на СВЧ-сумматор.

Известен (патент № 2480871) способ электрического качания (сканирования) луча, излучающий раскрыв которого выполнен из плоских рупорных излучателей, линейные размеры которых больше длины волны и размещены в нескольких уровнях. Данный способ обеспечивает качание луча в широком секторе углов посредством изменения соотношения амплитуд распространяющихся мод.

Необходимо отметить, что общим свойством описанных решений является их использование в антенных решетках СВЧ диапазона.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ настройки двухполяризационной вибраторной антенной решетки высокой заводской готовности метрового диапазона с широкоугольным сканированием (Патент № 2333579).

Настройка такой антенной решетки производится расчетно-экспериментальным способом с измерением матриц рассеяния и расчетом КСВН на малом ее фрагменте из крест-вибраторов с регулируемыми размерами для их подстройки до получения оптимального типоразмера на необходимый КСВН. Для обеспечения полной заводской готовности к монтажу антенны на объекте в короткие сроки на заводе-изготовителе производится контрольная сборка и юстировка полотна антенной решетки.

Недостатком представленных технических решений является отсутствие возможности учесть реальную обстановку на объекте размещения в целях реализации требуемого (заданного) местоположения максимума ДН АФАР, получаемой посредством изменения фазового распределения токов, поступающих на входы антенных элементов в АФАР. Окружающая обстановка реального объема - различные сооружения, мачты, воздушные фидерные линии, разные геометрические длины радиочастотных кабелей, питающие элементы АФАР, а также трассы их прокладки, изгибы, невозможность реализации одинаковой электрической длины двух РПДУ и антенно-фидерного тракта в целом могут кардинально и разнонаправленно изменить вид расчетных диаграмм направленности АФАР и одиночных антенн в режиме автономной работы.

Например, расчетные данные, выполненные в программном пакете 4NEC2X, позволяют сделать вывод, что величина среднего приращения по абсолютному коэффициенту усиления АФАР построенной на базе двух несимметричных вертикальных вибраторов коротковолнового диапазона в сравнении с одиночной антенной из ее состава в зависимости от режима излучения составляет:

- поперечного излучения (фиг. 2) - 3,1 дБи;

- осевого излучения (фиг. 3) - 2,4 дБи;

- наклонного излучения (фиг. 4) - 2,5 дБи.

По вышеперечисленным причинам эффективность работы АФАР в условиях функционирования на реальном объекте может быть не такой высокой, как это следует из представленных выше результатов.

Задача повышения точности формирования диаграммы направленности АФАР из возбуждаемых в отдельности антенных узлов (элементов), одинаково поляризованных и разнесенных в пространстве и ориентации максимума ДН в требуемом направлении (сканирование главного лепестка ДН в произвольном азимутальном направлении) на реальном объекте с учетом наличия пассивных элементов окружающей обстановки, искажающих характеристику направленности АФАР, решается экспериментально путем проведения измерений напряженности поля, формируемой поверхностной волной АФАР и ее элементами на границе дальней и ближней зон, а также подбором фазового распределения токов для достижения максимальных значений напряженности поля АФАР в требуемом направлении относительно напряженностей полей, формируемыми одиночными элементами.

Возможность достижения поставленной цели подтверждается результатами аналитического расчета и математического моделирования с помощью программного пакета 4NEC2X (v.5.8.1), а также проведенными экспериментальными проверками, проведенными как при излучении поверхностных, так и ионосферных волн на трассах различной протяженностей.

Предлагаемая схема высокочастотного тракта, позволяющего устанавливать фазовое распределение токов на входах элементов АФАР в режиме реального времени, приведена на фиг. 1.

Возбудительное устройство формирует несущее колебание амплитудой 3 В в спектре KB диапазона и поступает на вход прибора коммутации возбудителей, где происходит деление на два или четыре ВЧ выхода без потери мощности. Прибор коммутации возбудителей по командам со средств автоматизированного управления устанавливает фазовый сдвиг ΔΨ, составляющий величину от 0 до 180 градусов с дискретом 5 градусов, между каналами. Далее сигналы поступают на усилители мощности и далее напрямую на антенные элементы при несимметричных антеннах или через устройство симметрирования и согласования при применении симметричных антенных элементов в АФАР.

Предлагаемый способ настройки антенных решеток KB диапазона, связанный с определением частотно-зависимого фазового распределения, определяемого путем измерения уровня напряженности поля по поверхностной волне на границе дальней и ближней зон в условиях реального объекта (фиг. 5) реализуется по следующему алгоритму:

- измерительная антенна с селективным микровольтметром или анализатором спектра устанавливается в точке измерения № 1 с требуемым азимутом на корреспондента;

- включается на излучение РПДУ № 1 с антенным элементом № 1;

- проводится измерение напряженности поля земной волны E1 в точке размещения измерительной антенны;

- проводится измерение напряженности поля земной волны E₂, создаваемого РПДУ № 2 с антенным элементом № 2;

- включается на излучение обе антенны (№ 1, № 2) от двух РПДУ, возбуждаемых когерентно (ΔΨ=0°) одним возбудителем;

- на каждой частоте KB диапазона (или диапазону, соответствующему техническому диапазону радиолинии, которую необходимо обслуживать) плавно изменяя фазу ΔΨ путем перебора различных длин линий задержек в тракте с РПДУ № 2 и антенным элементом № 2 с помощью прибора коммутации возбудителей, зафиксировать максимальное значение напряженности поля Е_ФАР в месте расположения измерительной антенны, а также состояние прибора коммутации возбудителей на данной частоте;

- повторить измерения для всех азимутальных направлений, соответствующим корреспондентам, с которыми необходимо организовать KB радиоканал с увеличенной ЭИИМ.

Реализация достижения заявляемых отличительных признаков подтверждается результатами компьютерного моделирования в программном пакете 4NEC2X, а также результатами натурных экспериментов с проведением трассовых испытаний на трассах различной протяженности с измерением уровней напряженностей полей в точках приема, а также по поверхностной волне в ближней зоне от антенных элементов и АФАР на их основе.

Техническим результатом предлагаемого способа является возможность достигнуть следующих количественных показателей эффективности АФАР:

1. при работе поверхностной волной - в диапазоне 2-30 МГц при работе двухэлементной АФАР на базе несимметричных вертикальных вибраторов увеличение напряженности поля от 3 до 12 дБ/мкВ по сравнению с полями, создаваемыми одиночными антеннами, что соответствует теоретически ожидаемому увеличению сигнала на 6 дБ (в 4 раза по мощности).

2. при работе ионосферной волной на трассах малой и средней (от 200 до 2000 км) протяженностей - увеличение напряженности поля от 2 до 8 дБ/мкВ при работе двух элементов АФАР, что при передаче телеграфных сообщений позволяет получить средний выигрыш по краевым искажениям от 1 до 7% при допустимой норме краевых искажений телеграфного канала 15%.

Изобретение относится к антенной технике коротковолнового диапазона и служит для настройки активных фазированных антенных решеток (АФАР) с формированием максимума диаграммы направленности (ДН) в требуемом направлении с учетом характеристик направленности примененного в составе АФАР базового излучателя. Технический результат - повышение точности формирования ДН АФАР и повышение эффективности ее работы. Результат достигается тем, что предложен способ настройки антенных решеток KB-диапазона, связанный с определением фазового распределения ΔΨ между элементами АФАР, согласно изобретению фазовое распределение определяется экспериментально путем оценки напряженности поля, формируемой АФАР и ее элементами на границе дальней и ближней зон, последующим подбором фазового распределения токов для достижения максимальных значений напряженности поля АФАР в требуемом направлении относительно напряженностей полей, формируемыми одиночными элементами в условиях размещения АФАР на реальном объекте с диаграммоискажающими факторами - наличием сооружений, воздушных фидерных линий, обеспечивая сканирование главного лепестка диаграммы направленности в произвольном азимутальном направлении во всем КВ-диапазоне. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ настройки антенных решеток KB-диапазона, связанный с определением фазового распределения ΔΨ между элементами АФАР, отличающийся тем, что фазовое распределение определяется экспериментально путем оценки напряженности поля, формируемой АФАР и ее элементами на границе дальней и ближней зон, последующим подбором фазового распределения токов для достижения максимальных значений напряженности поля АФАР в требуемом направлении относительно напряженностей полей, формируемыми одиночными элементами в условиях размещения АФАР на реальном объекте с диаграммоискажающими факторами - наличием сооружений, мачт, воздушных фидерных линий, разных геометрических длин радиочастотных кабелей, питающих элементы АФАР, а также трассами их прокладки, изгибами, невозможностью реализации одинаковой электрической длины двух усилителей мощности и антенно-фидерного тракта, обеспечивая сканирование главного лепестка диаграммы направленности в произвольном азимутальном направлении во всем коротковолновом диапазоне.

2. Способ настройки антенных решеток KB-диапазона по п. 1, отличающийся тем, что экспериментально подобранные с учетом компенсации диаграммоискажающих факторов частотно-зависимые величины фазового распределения ΔΨ установлены в каналах выхода возбудительных устройств, обеспечивая максимальное излучение в требуемом азимутальном направлении.