Фазированная антенная решетка

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и может быть использовано в качестве подземной или стелющейся приемопередающей антенны КВ и УКВ диапазонов. Техническим результатом является построение широкодиапазонной фазированной антенной решетки, обеспечивающей формирование квазиизотропной азимутальной диаграммы направленности (ДН) при одновременном уменьшении размеров ее апертуры. ФАР выполнена из семи плоских элементов (ПЭ), каждый из которых состоит из двух ортогональных пар плоских излучателей. ПЭ установлены попарно симметрично относительно центрального ПЭ. Центральный ПЭ подключен к тракту питания н.ч. поддиапазона, остальное ПЭ - к тракту питания в.ч. поддиапазона. Определены конструктивная форма излучателей и порядок их подключения друг к другу, при которых обеспечивается достижение технического результата: широкополосная работа, снижение площади апертуры и формирование требуемой азимутальной ДН. 1 з.н. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и может быть использовано в качестве приемной или передающей антенны, с управляемой диаграммой направленности (ДН), обеспечивающей широкодиапазонную работу в коротковолновом (КВ) и ультракоротковолновом (УКВ) диапазонах.

Известны фазированные антенные решетки (ФАР) для работы ионосферными волнами в КВ диапазоне: кольцевые антенные решетки, описанные в книге Айзенберг Г. З. и др. "Коротковолновые антенны". - М., Радио и связь, 1985, с. 401-413; синфазные антенные решетки из плоских вибраторов, описанные в этой же книге на с.264-275.

Известные аналоги обеспечивают формирование диаграммы направленности (ДН) с требуемым значением коэффициента направленного действия (КНД).

Однако они имеют недостатки: относительно небольшой рабочий диапазон частот, что ограничивает их применение в составе современных широкодиапазонных систем радиосвязи; низкую устойчивость к ветровым нагрузкам и другим механическим воздействиям.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная ФАР по пат.РФ N 2080712, МПК HO1Q 21/00, публ.25.05.1997 г.

Известная ФАР состоит из идентичных плоских элементов (ПЭ). Каждый ПЭ образован двумя ортогональными парами излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды или на ее поверхности. Излучатели выполнены в форме треугольных пластин. Внешние концы треугольных излучателей, принадлежащих примыкающим друг к другу ПЭ, электрически соединены. Внешние концы излучателей, принадлежащий периферийным ПЭ, соединены по периметру апертуры ФАР короткозамыкающими (к.з.) проводниками. Внешние концы треугольных излучателей, примыкающие с двух сторон к большим диагоналям ФАР, электрически развязаны. Внешние концы остальных треугольных излучателей соединены к.з. проводниками. Фидерный тракт низкочастотного (н.ч.) канала подключен к вершинам треугольных излучателей центрального ПЭ, а вершины треугольных излучателей остальных ПЭ подключены к фидерному тракту высокочастотного (в.ч.) канала. Ортогональные пары треугольных излучателей в каждом ПЭ запитаны независимо.

При таком исполнении ФАР достигается ее широкодиапазонная работа в КВ и УКВ диапазонах как с линейной, так и вращающейся поляризациями.

Однако известная ФАР-прототип имеет недостатки: неравномерность азимутальной ДН, обусловленной отсутствием азимутальной симметрии апертуры ФАР, приводит к снижению энергетического потенциала радиолинии при связи с неориентированным в азимутальной плоскости корреспондентом; относительно большая занимаемая площадь антенны.

Целью изобретения является разработка ФАР, обладающей равномерной ДН в азимутальной плоскости при одновременном уменьшении площади, необходимой для ее развертывания, и сохранение широкодиапазонной работы с высоким качеством согласования.

Поставленная цель достигается тем, что в известной ФАР, содержащей группу ПЭ, установленных попарно симметрично относительно центрального ПЭ, размещенного в центре апертуры ФАР, каждый из ПЭ, состоящий из двух ортогональных пар излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды или на ее поверхности, внешние концы излучателей, принадлежащих примыкающим друг к другу ПЭ, электрически соединены, а внешние концы излучателей, ограничивающих апертуру ФАР, соединены друг с другом к.з. проводниками, примыкающие друг к другу концы центрального ПЭ подключены к фидерному тракту н. ч. канала, а концы излучателей остальных ПЭ - к фидерному тракту в.ч. канала, причем ортогональные пары излучателей в каждом ПЭ запитаны независимо, каждый излучатель выполнен в форме четырехугольника, симметричного относительного его продольной оси и с отличающимися углами α и β при вершинах, лежащих на этой оси симметрии. ФАР состоит из семи ПЭ. В двух парах ПЭ оси симметрии излучателей, расположенных по диагоналям апертуры ФАР, совмещены с соответствующими боковыми кромками первой пары излучателей центрального ПЭ. В третьей паре ПЭ паре оси симметрии излучателей, расположенных по диагонали апертуры ФАР, совмещены с продольной осью симметрии второй пары излучателей центрального ПЭ. В каждом ПЭ внешние концы его излучателей, примыкающих к диагонали ФАР, совпадающей с продольной осью симметрии первой пары излучателей центрального ПЭ, соединены друг с другом дополнительными отрезками проводников. В каждом из ПЭ третьей пары излучатели, подключенные к второй паре излучателей центрального ПЭ, соединены отрезками проводников с концами соответствующих излучателей пары этого же ПЭ.

Кроме того, их внешние кромки в периферийных вершинах подключены к примыкающим к ним вершинам внешних кромок излучателей центрального плоского элемента.

Для достижения большей идентичности входных параметров ФАР по ортогональным трактам питания, вдоль кромок излучателей, продольные оси симметрии которых совмещены с соответствующими кромками излучателей центрального ПЭ, установлены проводники. Концы проводников подключены к внешним концам этих излучателей. Причем проводники установлены вдоль кромок, обращенных от продольной оси симметрии излучателей центрального ПЭ.

Углы α и β при вершинах каждого излучателя выбраны в интервалах α = 53^o-58^o; β =165^o-175^o.

Указанная новая совокупность существенных признаков заявленного устройства обеспечивает фактически азимутальную симметрию апертуры ФАР, при сохранении требуемого качества согласования излучателей в широком диапазоне частот и снижении площади, необходимой для размещения ФАР.

Анализ известных решений по источникам технической и патентной литературы показал, что в них отсутствуют технические решения, содержащие совокупность существенных признаков заявленного устройства, что указывает на его соответствие условию патентоспособности "новизна".

Также в известных источниках информации не обнаружены отличительные признаки заявленного устройства, обеспечивающие достижение технического результата, который достигнут заявленным устройством, что указывает на его соответствие условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны: на фиг. 1 - общая схема ФАР; на фиг.2, 3, 4 - рисунки, поясняющие структуру отдельных элементов ФАР; на фиг.5 - рисунки, поясняющие варианты выполнения излучателей и порядок их подключения к фидерному тракту; на фиг.6 - вариант построения тракта питания ФАР; на фиг.7 - схема квадратного сумматора; на фиг. 8 - рисунок, поясняющий работу ФАР; на фиг.9, 10 - результаты экспериментальных исследований параметров ФАР.

Заявленная ФАР, показанная на фиг.1, состоит из семи плоских элементов (ПЭ) 1 (см. также фиг.2): центрального ПЭ и трех пар ПЭ расположенных попарно симметрично по диагоналям апертуры ФАР, относительно центрального ПЭ. Каждый ПЭ 1 состоит из двух ортогональных пар излучателей 2 (на фиг.1 заштрихованы), длиной L, выполненных в форме четырехугольника, симметричного относительно его продольной оси и с неравными углами α и β при вершинах, расположенных на его продольной оси симметрии. Все излучатели установлены компланарно в полупроводящей среде (Земли) или на ее поверхности. Внешние концы излучателей 2, принадлежащие примыкающим друг к другу ПЭ 1, электрически соединены (в точках "а"). Внешние концы излучателей 2, ограничивающие апертуру ФАР, соединены друг с другом к.з. проводниками 3.

В двух парах ПЭ 1(см. также фиг.3) продольные оси их излучателей, лежащие на диагонали апертуры ФАР (на фиг.1 диагонали с-с' и k-k'), совмещены с соответствующими кромками первой пары излучателей (на фиг.1 - вертикальных) центрального ПЭ 1. Продольные оси излучателей 2 третьей пары ПЭ 1 (см. также фиг. 4), лежащие на диагонали апертуры ФАР (на фиг.1 диагональ p-p') совмещены с продольной осью симметрии второй пары излучателей 2 центрального ПЭ 1 (на фиг.1 горизонтальными). В каждом из двух пар ПЭ 1 внешние концы его излучателей 2, примыкающие к диагонали (на фиг.1 диагональ o-o'), совпадающей с продольной осью симметрии первой пары излучателей 2 (на фиг.1 - вертикальных), центрального ПЭ 1 соединены друг с другом дополнительными отрезками проводника 4. Излучатели 2 в каждом ПЭ 1 третьей пары, подключенные к второй паре излучателей центрального ПЭ, соединены отрезками проводников 5 с концами соответствующих излучателей ортогональной пары этого же ПЭ 1 (на фиг. 1 подключение в точках a-a'). Кроме того, с помощью дополнительных проводников 6 эти излучатели соединены в точках a'-a''.

Вдоль кромок излучателей 2, продольные оси симметрии которых совмещены с соответствующими кромкам излучателей 2 центрального ПЭ, установлены проводники 7, концы которых подключены к внешним концам этих излучателей (в точках "б"). Проводники 7 диаметром d установлены вдоль кромок с зазором δ (см. также фиг.3).

Все излучатели 2 могут быть выполнены из металлических пластин (см.фиг. 5а) или из расходящихся от центральных вершин проводников (см.фиг.5б).

Фидерный тракт н. ч. канала подключен к примыкающим к центру апертуры вершинам центрального ПЭ 1 (в точках в₁-в₁ и г₁-г₁). Вершины излучателей 2, примыкающие к центрам остальных ПЭ 1, подключены к фидерному тракту в.ч. канала точках в₂-в₂ и г₂-г₂ (см. также фиг.5в).

Максимальный размер D апертуры ФАР выбран из условия D =0,3λ¹_min, где λ¹_min - минимальная длина волны н.ч. поддиапазона. Соответственно длина излучателя L = D/6. Тракт питания заявленной ФАР при ее использовании в качестве приемной может быть реализован по схеме, показанной на фиг.6. В н.ч. поддиапазоне вход радиоприемника с помощью коаксиального фидера 8 через квадратный сумматор подключен к излучателям 2 центрального ПЭ 1. В в.ч. поддиапазоне каждый из шести радиоприемников с помощью коаксиального кабеля 9 подключен через соответствующий сумматор 10, блок линий задержек 11, делитель 12 и квадратный сумматор 13 к соответствующему ПЭ 1 в точках в₂-в₂ и г₂-г₂.

Фазирование суммарной ДН от шести ПЭ 1 в требуемом направлении обеспечивается подключением соответствующих блоков линии задержки 11 к делителям 12 по принципу "перетасовки" их входов.

Принцип "перетасовки" известен и описан в работе: "Принципы построения и характеристики антенн радиотелескопа УТР-2/ Мень.А.В., Содин Л.Г. и др. // Антенны: сб. статей. Вып. 26/Под ред. Пистолькорса А.А. - М.: Радио и связь, 1978.

Каждый сумматор 10 и блок линий задержек 11 снабжены шестью входами по числу ПЭ 1. Каждый блок линий задержки 11 и делитель 12 снабжены шестью выходами.

На фиг.5в показано подключение фидера к излучателям. В каждой паре излучателей экранная оболочка фидера подключена к вершине одного излучателя, а центральный проводник - к вершине другого.

Делители мощности 12 могут быть реализованы по известным бинарным схемам с включением трансформаторов на отрезках фидера. Принципы расчета таких делителей мощности известны и описаны, например в книгах: С.И.Надененко "Антенны". - М.: Сов.радио, 1959, с.489; Д.М.Сазонов, А.Н.Гридин, Б.А.Мишутин "Устройство СВЧ". - М.: Радио и связь, 1981, с.45.

Блок линии задержки 11 может быть реализован на коммутируемых отрезках коаксиального кабеля.

Сумматор 10 может быть выполнен по схеме трансформатора с шестью первичными и одной общей вторичной обмотками.

Квадратурный сумматор 13 предназначен для квадратного сложения сигналов, принятых на ортогональные пары излучателей в каждом ПЭ 1. Он может быть реализован по трансформаторной схеме, показанной на фиг.7. Схема включает два трансформатора Тр. 1 и Тр.2, первичные обмотки которых подключены к вертикальной (в-в) в горизонтальной (г-г) парам излучателей каждого ПЭ 1. Вторичные обмотки Тр.1 и Тр.2 подключены к первичной обмотке суммирующего трансформатора Тр. 3, вторичная обмотка которого является выходом квадратурного сумматора. Причем вторая обмотка одного из трансформаторов (на фиг.7 Тр.2) подключена к первичной обмотке трансформатора Тр.3 через фазовращатель (ФВ) на 90^o.

Диаметр d проводников 7 и зазор δ между этими проводниками и кромками излучателей (см.фиг.3) выбираются из конструктивных соображений. Причем при выбранном диаметре d проводников 7, зазор δ определяется в пределах δ =(2-3)d.

Заявленная ФАР работает следующим образом. При подаче возбуждающего напряжения по фидеру 8 н.ч. тракта питания к вершинам излучателей 2 центрального ПЭ 1 (например, к точкам г₁-г₁) в.ч. токи протекают по симметричному вибратору, плечи которого образованы парой излучателей 2 (на фиг.1 - горизонтальных) центрального ПЭ 1, и подключенной к ним в точках "а", дополнительно проводниками 6 парой ПЭ 1, расположенных по обе стороны центрального ПЭ 1 на диагонали р-р' апертуры ФАР. Форма этих ПЭ 1 показана на фиг. 4.

Вторая пара излучателей 2 центрального ПЭ 1 совместно с двумя парами других ПЭ 1 выполняют роль распределенного шунта. Т.о. по входу г₁-г₁ н.ч. поддиапазона формируется симметричный шунтовой вибратор (см.фиг.8), обеспечивающий диапазонную работу с коэффициентом перекрытия по частоте не менее 4-х. При возбуждении другой пары излучателей 2 (на фиг.1 вертикальных) центрального ПЭ 1 плечи симметричного вибратора будут образованы этими излучателями и подключенными к ним в точках "а" двумя парами ПЭ 1, расположенных по диагоналям k-k' и с-с' апертуры ФАР. Другая пара излучателей 2 центрального ПЭ 1 (на фиг.1 горизонтальных) вместе с подключенными к ним ПЭ 1, лежащими на диагонали р-р' апертуры ФАР, в данном случае выполняют роль распределенного шунта (см.фиг.8).

Т. о. по тракту н.ч. поддиапазона, подключенного к точкам в₁-в₁ также формируется диапазонный шунтовой симметричный вибратор. Очевидно, что конфигурации шунтовых вибраторов н. ч. поддиапазонов по входам г₁-г₁ и в₁-в₁ несколько отличаются, что может привести к различиям их входных параметров. Практически полное совпадение входных параметров излучателей по входам в₁-в₁ и г₁-г₁ в заявленной ФАР достигается выбором указанных значений угла α излучателей и расположением проводников 7, выполняющих роль шунтов вдоль кромок излучателей в ПЭ 1, расположенных на диагоналях k-k' и с-с' апертуры ФАР (см. также фиг.3). При работе в в.ч. поддиапазоне все ПЭ 1(кроме центрального) подключены к шести идентичным входам тракта в.ч. поддиапазона в точках в₂-в₂ и г ₂-г₂ (см. также фиг.6). Структура ПЭ 1, лежащих на диагонали р-р' апертуры, показана на фиг.4, а структура остальных ПЭ 1 - на фиг.3. ПЭ 1, показанный на фиг. 4, представляет собой симметричный шунтовой вибратор по входу в₂-в₂ и входу г₂-г₂. ПЭ 1, показанные на фиг.3, также представляют собой турникетные шунтовые симметричные вибраторы по двум входам. Отличие заключается в некотором видоизменении формы шунта с одной стороны вертикальной пары излучателей. Последнее необходимо для достижения симметрии ортогональных каналов антенны в н.ч. поддиапазоне по входным параметрам.

Благодаря схеме "перетасовки " выходов делителей 12 и соответствующих входов блоков линий задержки 11 формируется в направлениях диагоналей ФАР o-o', c-c', k-k' и p-p' практически идентичные ДН (см.фиг.9), т.е. обеспечивается квазииотропная в азимутальной плоскости ДН.

Таким образом, общая апертура ФАР, ограниченная кругом с диаметром D, используется двукратно для работы в н.ч. и в.ч. поддиапазонах, что снижает площадь, занимаемую апертурой ФАР. Выбранная конфигурация излучателей, наряду с возможностью сохранения принципа самодополнительности структуры излучателей, обеспечивает фактическую симметрию схемы по диагоналям апертуры. Этим достигается высокое качество согласования антенны (высокий коэффициент бегущей волны - КБВ) и возможность формирования близкой к ненаправленной азимутальной ДН.

Проверка качества согласования проведена на опытном образце ФАР, предназначенной для работы в диапазоне 1,5-60 МГц (н.ч. поддиапазон 1,5-6 МГц; в. ч. диапазон 6-60 МГц). Размеры элементов ФАР составили: D = 15 м; L = 2,5 м; δ = 0,04 м. Проводник 7 шунта выполнен из проводника диаметром d = 0,02 м, излучатели - из пластин оцинкованной жести толщиной 0,5 мм. Результаты экспериментальных измерений КБВ, показанные на фиг.10, подтверждают высокую эффективность заявленной антенны. В диапазоне часто с практически сорокакратным перекрытием по частоте КБВ>0,4, что является приемлемым для работы с современными широкодиапазонными радиосредствами.

Формула изобретения

1. Фазированная антенная решетка, содержащая группу плоских элементов, установленных попарно симметрично относительно центрального плоского элемента, размещенного в центре апертуры фазированной антенной решетки, каждый плоский элемент состоит из двух ортогональных пар излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды или на ее поверхности, внешние концы излучателей, принадлежащих примыкающим друг к другу плоским элементам, электрически соединены, а внешние концы излучателей, ограничивающих апертуру фазированной антенной решетки, соединены друг с другом короткозамыкающими проводниками, примыкающие друг к другу концы излучателей центрального плоского элемента подключены к фидерному тракту низкочастотного канала, а концы излучателей остальных плоских элементов - к фидерному тракту высокочастотного канала, причем ортогональные пары излучателей в каждом плоском элементе запитаны независимо, отличающаяся тем, что фазированная антенная решетка состоит из семи плоских элементов, каждый излучатель выполнен в форме четырехугольника, симметричного относительно его продольной оси и с отличающимися углами α и β при вершинах, лежащих на этой оси, в двух парах плоских элементов оси симметрии излучателей, расположенных по диагоналям апертуры фазированной антенной решетки, совмещены с соответствующими боковыми кромками первой пары излучателей центрального плоского элемента, а в третьей паре плоских элементов оси симметрии излучателей, расположенных по диагонали апертуры фазированной антенной решетки, совмещены с продольной осью симметрии второй пары излучателей центрального плоского элемента, в каждом плоском элементе внешние концы его излучателей, примыкающих к диагонали фазированной антенной решетки, совпадающей с продольной осью симметрии первой пары излучателей центрального плоского элемента, соединены друг с другом дополнительными отрезками проводников, а излучатели в каждом из плоских элементов третьей пары, подключенные к второй паре излучателей центрального плоского элемента, соединены отрезками проводников с концами соответствующих излучателей ортогональной пары этого же плоского элемента и с помощью дополнительных проводников их внешние кромки в периферийных вершинах подключены к примыкающим к ним вершинам внешних кромок излучателей центрального плоского элемента, вдоль кромок излучателей, продольные оси симметрии которых совмещены с соответствующими кромками излучателей центрального плоского элемента, установлены проводники, подключенные к внешним концам этих излучателей, причем проводники установлены вдоль кромок, обращенных от продольной оси симметрии излучателей центрального плоского элемента.

2. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что в каждом излучателе углы α и β выбраны в интервалах α = 53 - 58^o, а β = 165 - 175^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10