Линейная антенная решетка

Изобретение относится к антенной технике. Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот и в увеличении коэффициента усиления с ростом частоты при сохранении линейных размеров. Сущность изобретения состоит в том, что в исходную линейку из N сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, расположенных на расстоянии d=λ_max/2 друг от друга, имеющую диапазон рабочих частот от F_н до F_в, составляющих М октав, введено Р=М-1 линеек сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, аналогичных элементам исходной линейки, расположенных между продольными осями крайних элементов исходной линейки, в той же плоскости, равномерно вершинами вдоль общей линии, имеющих общую с исходной линейкой верхнюю граничную частоту F_в. Нижние граничные частоты введенных линеек F_нi возрастают с ростом номера линейки по закону F_нi=2ⁱF_н, где i=1, 2, 3 ... М-1 - номер введенной линейки при начале отсчета от линии расположения оснований сверхширокополосных продольноизлучающих элементов исходной линейки к их вершине. Количество n_i элементов во вводимых линейках возрастает с ростом номера линейки по закону n_i=(N-1)2^(i-1). 2 ил.

 

Линейная антенная решетка относится к области антенной техники и может быть использована в радиотехнических системах различного назначения в качестве самостоятельной сверхширокополосной антенной решетки, либо в качестве элемента более сложных систем.

Известна антенная решетка [Сверхширокополосные антенны. Перевод с англ. под. ред. Л.С.Бененсона, "Мир", М. 1964 г. 416 с., стр.250-276], содержащая N сверхширокополосных продольноизлучающих элементов (логопериодических вибраторных антенн), включенных параллельно, в которой, для обеспечения частотной независимости ее характеристик направленности, сверхширокополосные продольноизлучающие элементы расположены радиально вершинами в общей точке, т.е. под некоторыми углами друг к другу. Такое расположение сверхширокополосных продольноизлучающих элементов обеспечивает постоянство электрического расстояния между их фазовыми центрами в диапазоне рабочих частот и, как следствие, постоянство характеристик направленности антенной решетки.

Существенным недостатком такой антенной решетки является относительно низкий коэффициент усиления. Это обусловлено тем, что максимально возможное число сверхширокополосных продольноизлучающих элементов ограничено угловым сектором между крайними сверхширокополосными продольноизлучающими элементами, который не должен превышать ширину диаграммы направленности сверхширокополосного продольноизлучающего элемента, а угол между соседними сверхширокополосными продольноизлучающими элементами должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить необходимое расстояние между их фазовыми центрами. Кроме того, коэффициент усиления этой антенной решетки практически не меняется с ростом частоты. В большинстве же практических случаев необходимо, чтобы коэффициент усиления возрастал с ростом частоты, что позволило бы скомпенсировать возрастающие с ростом частоты (пропорционально квадрату частоты) потери на распространение радиоволн и потери в линиях питания. В идеальном случае величина коэффициента усиления на верхней граничной частоте должна превышать величину необходимого коэффициента усиления на нижней граничной частоте в (F_в/F_н)² раз, где F_в, F_н - верхняя и нижняя граничная частота рабочего диапазона, соответственно.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является антенная решетка [Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. "Энергия", М. 1973. 440 с., стр.218-222], выбранная в качестве прототипа, содержащая исходную линейку из N сверхширокополосных продольноизлучающих элементов с рабочим диапазоном частот от F_н до F_в, охватывающим М октав, продольные оси которых лежат в одной плоскости, а вершины расположены равномерно вдоль общей линии на расстоянии d=λ_max/2 друг от друга, где F_н - нижняя граничная частота, F_в - верхняя граничная частота, λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона частот, М=log₂(F_в/F_н) - целое число. С целью обеспечения широкополосности используется К таких линеек (рядов) сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, расположенных по образующим цилиндрической поверхности так, чтобы вершины всех (K×N) сверхширокополосных продольноизлучающих элементов разместились равномерно по оси цилиндра. Каждая линейка смещена по оси цилиндра относительно соседних линеек на расстояние d/K. При этом во всем рабочем диапазоне частот расстояние между фазовыми центрами С_ц соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов находится в пределах 0,5λ≤С_ц<λ. Рабочий диапазон частот таких антенных решеток достигает трех с лишним октав (F_в/F_н≈10). При таком расположении сверхширокополосных продольноизлучающих элементов отсутствует ограничение на их количество в линейке, и, следовательно, возможно значительное увеличение коэффициента усиления антенной решетки. Однако предложенное техническое решение применимо лишь для случая плоских сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, что ограничивает возможности его использования.

Существенным недостатком этой антенной решетки является то, что диапазон рабочих частот каждой из К линеек сверхширокополосных продольноизлучающих элементов (как и у обычных линейных решеток) не превышает октавы, а сверхширокополосность антенной решетки в целом достигается лишь за счет перехода от линейной антенной решетки к пространственной и, как следствие, к существенному увеличению ее габаритов, что далеко не всегда приемлемо. Кроме того, существенным недостатком как первой, так и второй известных антенных решеток является ограниченный рост их коэффициента усиления с ростом частоты, что особенно негативно сказывается при работе в многооктавном диапазоне рабочих частот. Реальная величина коэффициента усиления первой известной антенной решетки практически не меняется с ростом частоты, а второй, известной антенной решетки, возрастает весьма незначительно, в частности величина коэффициента усиления на верхней граничной частоте F_в превышает величину коэффициента усиления на нижней граничной частоте F_н не более чем вдвое.

Техническая задача изобретения заключается в расширении диапазона рабочих частот линейной антенной решетки и обеспечении увеличения ее коэффициента усиления с ростом частоты при сохранении линейных размеров.

Указанная задача достигается тем, что в известное устройство, содержащее исходную линейку из N сверхширокополосных продольноизлучающих элементов с диапазоном рабочих частот от F_н до F_в, составляющим М октав, продольные оси которых лежат в одной плоскости, а вершины расположены равномерно вдоль общей линии на расстоянии d=λ_max/2 друг от друга, где F_н - нижняя граничная частота, F_в - верхняя граничная частота, λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона частот, M=log₂(F_в/F_н) - целое число, согласно изобретению введено Р=М-1 линеек аналогичных сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, расположенных между продольными осями крайних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов исходной линейки, в той же плоскости, равномерно вершинами вдоль общей линии, имеющих общую с исходной линейкой сверхширокополосных продольноизлучающих элементов верхнюю граничную частоту F_в, а их нижние граничные частоты F_нi возрастают с ростом номера линейки по закону F_нi;=2ⁱF_н, где i=1, 2, 3 ... М-1 - номер введенной линейки при начале отсчета от линии расположения оснований сверхширокополосных продольноизлучающих элементов исходной линейки к их вершине, при этом количество n_i сверхширокополосных продольноизлучающих элементов во вводимых линейках возрастает с ростом номера линейки по закону n_i=(N-1)2^(i-1).

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенная линейная антенная решетка отличается введением Р=М-1 линеек аналогичных сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, расположенных между продольными осями крайних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов исходной линейки, в той же плоскости, равномерно вершинами вдоль общей линии, имеющих общую с исходной линейкой сверхширокополосных продольноизлучающих элементов верхнюю граничную частоту F_в, а их нижние граничные частоты F_нi возрастают с ростом номера линейки по закону F_нi=2ⁱF_н, где i=1, 2, 3 ... М-1 - номер введенной линейки при начале отсчета от линии расположения оснований сверхширокополосных продольноизлучающих элементов исходной линейки к их вершине, при этом количество n_i сверхширокополосных продольноизлучающих элементов во вводимых линейках возрастает с ростом номера линейки по закону n_i=(N-1)2^(i-1).

Таким образом, изобретение соответствует критерию изобретения "новизна".

Анализ известных технических решений в исследуемой области и смежных с ней позволяет сделать вывод, что введенные сверхширокополосные продольноизлучающие элементы известны. Однако введение их в линейную антенную решетку, содержащую исходную линейку сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, указанным образом, выбор их параметров и количества по предложенному закону обеспечивает линейной антенной решетке такое новое свойство, как увеличение коэффициента усиления с ростом частоты и расширение диапазона рабочих частот при сохранении ее линейных размеров, что обеспечивает получение положительного эффекта.

Изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано в различных областях народного хозяйства.

Сущность изобретения поясняется посредством фиг.1-2 и последующего описания.

На фиг.1 представлен общий вид линейной антенной решетки;

на фиг.2 - измеренные значения коэффициента усиления.

Линейная антенная решетка (фиг.1) содержит исходную линейку ИЛ из N сверхширокополосных продольноизлучающих элементов A1...AN, например логопериодических вибраторных антенн, конических спиральных антенн, логоспиральных конических антенн и др., с диапазоном рабочих частот от F_н до F_в, составляющим три октавы (М=3, F_в=8F_н). При этом, для иллюстрации, на фиг.1 изображена линейная антенная решетка логопериодических вибраторных антенн. Сверхширокополосные продольноизлучающие элементы A1...AN исходной линейки ИЛ расположены равномерно вершинами вдоль линии OO на расстоянии d=λ_max/2, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона частот, друг от друга, а их продольные оси лежат в одной плоскости. В промежутке между продольными осями крайних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов А1 и AN исходной линейки ИЛ, в той же плоскости, размещается равномерно вершинами на линии OO первая введенная линейка Л1 сверхширокополосных продольноизлучающих элементов B1...Bn₁ с диапазоном рабочих частот от 2F_н до F_в. При этом сверхширокополосные продольноизлучающие элементы B1...Bn₁ линейки Л1 расположены между продольными осями соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов A1...AN исходной линейки ИЛ, т.е. между А1 и А2 расположен В1, между А2 и A3-В2 и т.д. Это становится возможным, поскольку нижняя граничная частота сверхширокополосных продольноизлучающих элементов B1...Bn₁ линейки Л1 вдвое выше нижней граничной частоты (F_н1=2¹F_н=2F_н) сверхширокополосных продольноизлучающих элементов A1...AN исходной линейки ИЛ, следовательно, их максимальный поперечный размер вдвое меньше поперечного размера сверхширокополосных продольноизлучающих элементов исходной линейки ИЛ. Количество сверхширокополосных продольноизлучающих элементов B1...Bn₁ линейки Л1 составляет n₁=(N-1)2^(1-1)=N-1. Расстояние между фазовыми центрами соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов А1 и B1, B1 и А2, А2 и В2 и т.д., линейной антенной решетки образованной линейками ИЛ и Л1 при работе в области второй октавы (от 2F_н до 4F_н), составляет d1=λ_max1/2, где λ_max1 длина волны на нижней граничной частоте F_н1 сверхширокополосных продольноизлучающих элементов В1...Bn₁ линейки Л1.

В промежутке между продольными осями крайних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов А1 и AN исходной линейки ИЛ, в той же плоскости равномерно вершинами на линии OO, размещается вторая линейка Л2 сверхширокополосных продольноизлучающих элементов С1...Cn₂ с диапазоном рабочих частот от 4F_н до F_в, с нижней граничной частотой (F_н2=2F_н1=4F_н) вдвое выше нижней граничной частоты сверхширокополосных продольноизлучающих элементов B1...Bn₁ линейки Л1, следовательно, их максимальный поперечный размер вдвое меньше максимального поперечного размера сверхширокополосных продольноизлучающих элементов B1...Bn₁ линейки Л1. Это позволяет размещать сверхширокополосные продольноизлучающие элементы С1...Cn₂ линейки Л2 между продольными осями соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов А1 и B1, B1 и А2, А2 и В2 и т.д. линеек ИЛ и Л1. Количество сверхширокополосных продольноизлучающих элементов С1...Cn₂ линейки Л2 составляет n₂=(N-1)2^(2-1)=2N-2. Общее количество сверхширокополосных продольноизлучающих элементов образованной линейной антенной решетки при работе в области третьей октавы (от 4F_н до F_в) равно сумме сверхширокополосных продольноизлучающих элементов А1...AN, В1...Bn₁ и С1...Cn₂ линеек ИЛ, Л1 и Л2 соответственно. Расстояние между фазовыми центрами соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов А1 и C1, C1 и B1, B1 и C2, С2 и А2, А2 и С3, С3 и В2 и т.д. линейной антенной решетки образованной линейками ИЛ, Л1 и Л2, составляет d₂=λ_max2/2, где λ_max2 - длина волны на нижней граничной частоте F_н2 сверхширокополосных продольноизлучающих элементов С1...Cn₂ линейки Л2.

В линейной антенной решетке используется параллельное питание сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, например, с помощью многоканального делителя мощности ДМ.

Линейная антенная решетка работает следующим образом

Энергия сигнал-генератора, включенного на вход многоканального делителя мощности ДМ, распределяется между сверхширокополосными продольноизлучающими элементами А1...AN, В1...Bn₁ и С1...Cn₂ линеек ИЛ, Л1 и Л2 соответственно. При этом, если частота сигнал-генератора находится в области первой октавы (от F_н до 2F_н) диапазона рабочих частот, то энергия распределяется преимущественно между N сверхширокополосными продольноизлучающими элементами A1...AN исходной линейки ИЛ. Сверхширокополосные продольноизлучающие элементы В1...Bn₁ линейки Л1 и С1...Cn₂ линейки Л2 практически не потребляют энергии сигнал-генератора, так как их нижняя граничная частота и, как следствие, область резонансных частот, выше частоты сигнал-генератора, поэтому они не возбуждаются и не принимают участие в формировании диаграммы направленности. Коэффициент усиления линейной антенной решетки при перестройке частоты сигнал-генератора в области первой октавы с ростом частоты растет примерно вдвое, что обусловлено изменением с ростом частоты электрического расстояния между фазовыми центрами d соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов А1...AN исходной линейки ИЛ от d=λ_max/2 на частоте сигнал-генератора F_н до d=λ на частоте 2F_н.

При перестройке частоты сигнал-генератора в область второй октавы (от 2F_н до 4F_н) диапазона рабочих частот энергия сигнал генератора преимущественно распределяется между сверхширокополосными продольноизлучающими элементами A1...AN исходной линейки ИЛ и сверхширокополосными продольноизлучающими элементами B1...Bn₁ линейки Л1. Сверхширокополосные продольноизлучающие элементы С1...Cn₂ линейки Л2 не возбуждаются и не принимают участие в формировании диаграммы направленности. При этом, несмотря на увеличение количества сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, участвующих в формировании диаграммы направленности, на частоте F_н1=2F_н, роста коэффициента усиления не происходит, так как электрическая длина образованной сверхширокополосными продольноизлучающими элементами A1...AN и B1...Bn₁ линейной антенной решетки остается неизменной, а расстояние между их фазовыми центрами уменьшается от d=λ_max1 до d₁=λ_max1/2, где λ_max1 - длина волны на частоте 2F_н, что исключает возможность появления дифракционных лепестков диаграммы направленности. При перестройке сигнал-генератора в области второй октавы от 2F_н до 4F_н коэффициент усиления вновь возрастает примерно вдвое, так как вдвое увеличивается электрическое расстояние между фазовыми центрами соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов линеек ИЛ и Л1, т.е. между А1 и В1, В1 и А2, А2 и В2 и т.д., от d₁=λ_max1/2 на частоте 2F_н до d₁=X, на частоте 4F_н и, как следствие, вдвое увеличивается электрическая длина линейной антенной решетки в целом.

При перестройке частоты сигнал-генератора в область третьей октавы (от 4F_н до F_в) энергия сигнал генератора распределяется между сверхширокополосными продольноизлучающими элементами A1...AN, B1...Bn₁ и С1...Cn₂ линеек ИЛ, Л1 и Л2 соответственно, которые принимают участие в излучении и в формировании диаграммы направленности. При этом на переходной из второй октавы в третью октаву частоте F_н2=4F_н наблюдается постоянство коэффициента усиления, несмотря на увеличение количества сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, участвующих в формировании диаграммы направленности на частоте F_н2=4F_н, так как электрическая длина образованной сверхширокополосными продольноизлучающими элементами A1...AN, В1...Bn₁ и С1...Cn₂ линейной антенной решетки остается неизменной, а расстояние между фазовыми центрами соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов линеек ИЛ, Л1 и Л2, т.е. между А1 и С1, С1 и В1, В1 и С2, С2 и А2, А2 и С3, С3 и В2 и т.д., уменьшается от d₁=λ_max2 до d₂=λ_max2/2, где λ_max2 - длина волны на частоте 4F_н. При перестройке сигнал-генератора в области третьей октавы от 4F_н до 8F_н коэффициент усиления вновь возрастает примерно вдвое, так как вдвое увеличивается электрическое расстояние между фазовыми центрами соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов от d₂=λ_max2/2 на частоте 4F_н до d₂=λ на частоте 8F_н, и, как следствие, вдвое увеличивается электрическая длина линейной антенной решетки в целом.

Таким образом, при перестройке сигнал-генератора от F_н до 8F_н происходит последовательное увеличение коэффициента усиления с ростом частоты примерно в 8 раз, за счет увеличения электрического расстояния между фазовыми центрами сверхширокополосных продольноизлучающих элементов от d=λ/2 до d=λ в каждой октавной полосе частот, при этом линейный размер линейной антенной решетки не изменяется, а ее электрическая длина растет пропорционально частоте.

Проверка предложенного технического решения осуществлялась на макете линейной антенной решетки с трехоктавным диапазоном рабочих частот (F_в/F_н=8, М=3), состоящей из трех линеек. В качестве сверхширокополосного продольноизлучающего элемента выбрана логопериодическая вибраторная антенна, коэффициент усиления которой составляет порядка 8 дБ. Количество сверхширокополосных продольноизлучающих элементов в исходной линейке выбрано N=4, в первой введенной линейке - n₁=3, во второй введенной линейке - n₂=6. При этом сверхширокополосные продольноизлучающие элементы каждой линейки имели один и тот же угол раскрыва и период логопериодических структур.

Экспериментальные исследования качественно подтвердили теоретические предпосылки. Измеренные значения коэффициента усиления макета предложенной линейной антенной решетки, приведенные на фиг.2 показывают, что увеличение ее коэффициента усиления с ростом частоты в трехоктавном диапазоне рабочих частот (М=3) составляет примерно 8,5 дБ (7,5 раз). В то время как в антенне-прототипе величина коэффициента усиления на верхней граничной частоте F_в превышает величину коэффициента усиления на нижней граничной частоте F_н не более чем на 3 дБ.

Исходя из того, что диапазон рабочих частот обычной линейной антенной решетки не превосходит октавы (F_в/F_н=2), для удобства описания предложенной линейной антенной решетки диапазон рабочих частот выбран равным целому числу октав (M=log₂(F_в/F_н) - целое число). Предложенный закон изменения нижней граничной частоты сверхширокополосных продольноизлучающих элементов (F_нi=2ⁱF_н) в зависимости от номера линейки (i) позволяет размещать сверхширокополосные продольноизлучающие элементы вводимых линеек между элементами линейной антенной решетки, образованной элементами предыдущих линеек, так как максимальный поперечный размер сверхширокополосных продольноизлучающих элементов определяется длиной волны на нижней граничной частоте каждой октавы. Закон изменения количества сверхширокополосных продольноизлучающих элементов во вводимых линейках (n_i=(N-1)2^(i-1)) в зависимости от номера линейки (i) выбран с целью обеспечения значения электрического расстояния между фазовыми центрами сверхширокополосных продольноизлучающих элементов в пределах λ/2≤d≤λ во всем диапазоне рабочих частот, что гарантирует отсутствие дифракционных лепестков в диаграмме направленности, при этом линейный размер антенной решетки остается неизменным.

Предложенное техническое решение позволяет расширить диапазон рабочих частот линейной антенной решетки и обеспечить увеличение ее коэффициента усиления с ростом частоты при сохранении линейных размеров, а также использовать его без ограничений как для плоских, так и объемных сверхширокополосных продольноизлучающих элементов.

Предложенное техническое решение позволяет, при использовании линейной антенной решетки в качестве линейного облучателя параболической цилиндрической антенны, обеспечить эффективное облучение ее отражателя, значительно расширить диапазон рабочих частот и, тем самым, повысить энергетический потенциал и обеспечить сверхширокополосность приемной системы в целом.

Линейная антенная решетка, содержащая исходную линейку из N сверхширокополосных продольно-излучающих элементов с диапазоном рабочих частот от F_н до F_в, составляющим М октав, продольные оси которых лежат в одной плоскости, а вершины расположены равномерно вдоль общей линии на расстоянии d=λ_max/2 друг от друга, где F_н - нижняя граничная частота, F_в - верхняя граничная частота, λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона частот, M=log₂(F_в/F_н) - целое число, отличающаяся тем, что введено Р=М-1 линеек аналогичных сверхширокополосных продольно-излучающих элементов, расположенных между продольными осями крайних сверхширокополосных продольно-излучающих элементов исходной линейки, в той же плоскости, равномерно, вершинами вдоль общей линии, имеющих общую с исходной линейкой сверхширокополосных продольно-излучающих элементов верхнюю граничную частоту F_в, а их нижние граничные частоты F_нi возрастают с ростом номера линейки по закону F_нi=2ⁱF_н, где i=1, 2, 3 ... М-1 - номер введенной линейки при начале отсчета от линии расположения оснований сверхширокополосных продольно-излучающих элементов исходной линейки к их вершине, при этом количество n_i сверхширокополосных продольно-излучающих элементов во вводимых линейках возрастает с ростом номера линейки по закону n_i=(N-1)2^(i-1).