Способ питания элементов передающей кольцевой фазированной антенной решетки и устройство для его реализации

Изобретение относится к антенной технике для систем радиосвязи в диапазоне коротких волн (KB). Техническим результатом является полное устранение недостатков, отмеченных в прототипе, и обеспечение стабильных характеристик излучения ФАР во всем диапазоне KB, упрощение построения и коммутации диаграммообразующей схемы КФАР и делителя мощности передающего устройства, рациональное использование излучателей КФАР, значительное повышение коэффициента использования раскрыва КФАР. Сущность изобретения состоит в том, что в диапазоне частот выше 7 МГц принцип питания элементов ФАР соответствует кольцевой схеме, а на частотах ниже 7 МГц принцип питания элементов ФАР соответствует дуговой схеме, в которой излучателями ФАР являются пары диаметрально противоположных элементов ФАР, имеющих кардиоидную диаграмму направленности, переход от кольцевой к дуговой ФАР происходит только за счет изменения схемы питания элементов (коммутации и изменения фазового сдвига). 2 н.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике для систем радиосвязи в диапазоне коротких волн (KB).

Известны различные способы получения направленного излучения кольцевых и многокольцевых фазированных антенных решеток (КФАР и МКФАР) и управления суммарной диаграммой направленности (ДН) КФАР в пространстве, заключающиеся в следующем.

Первый способ формирования ДН КФАР основан на создании различных набегов фаз для каждого излучателя КФАР для выравнивания фазового фронта излучаемой электромагнитной волны, при этом множитель антенной решетки рассчитывается исходя из условия изотропности каждого излучателя КФАР (Айзенберг Г.З. Коротковолновые антенны. - М.: Радио и связь, 1985 г.). Анализ направленных свойств таких КФАР показывает, что в этом случае ДН КФАР удовлетворяет предъявляемым требованиям только в области верхних частот KB диапазона (т.е. практически выше 7 МГц). В нижней области частот KB диапазона (1,5...7 МГц) ДН КФАР в азимутальной плоскости вырождается в круговую, т.е. по своим направленным свойствам ДН КФАР совпадает с ДН одного излучающего элемента КФАР (например, вертикального вибратора).

На фиг.1, 2, 3 приведены результаты расчета ДН КФАР с количеством излучателей 8 и радиусом окружности кольца 7,5 м (при условии изотропности каждого элемента КФАР) на характерных частотах KB диапазона. Расчет наглядно показывает, что ДН КФАР в горизонтальной плоскости имеет выраженные направленные свойства в диапазоне частот выше 7 МГц. На частотах ниже 7 МГц ДН КФАР соответствует ДН одиночного изотропного излучателя, входящего в состав КФАР.

Таким образом, можно сделать вывод о принципиальной невозможности получения направленных свойств КФАР в нижней части диапазона KB без изменения геометрических размеров КФАР.

Направленные свойства КФАР в нижней части диапазона KB можно улучшить при увеличении радиуса КФАР, однако на практике это неприемлемо по следующим причинам:

значительно усложняется конструкция антенной системы;

затрудняется процесс сборки и демонтажа КФАР;

существенно увеличивается площадь, занимаемая КФАР;

в области верхних частот KB диапазона появляются интерференционные лепестки ДН КФАР значительного уровня, что ухудшает направленные свойства КФАР и существенно снижает диапазонность антенны.

Вторым способом повышения направленных свойств КФАР является применение дуговых ФАР (ДФАР), в которых излучение осуществляется только теми элементами ДФАР, которые входят в активную зону. Однако это требует в обязательном порядке применения антенных элементов активной зоны излучения, имеющих однонаправленные ДН. Реализация однонаправленных ДН для элементов ДФАР в KB диапазоне наталкивается на практически непреодолимые технические трудности, а антенны типа бегущей волны имеют ДН, содержащую два главных лепестка, причем их направление излучения существенно зависит от частоты.

Таким образом, применение дуговых ДФАР не устраняет полностью недостатки КФАР, а только лишь уменьшает значение критической нижней частоты (приблизительно до 4МГц), начиная с которой ДФАР также теряет направленные свойства.

Третьим способом, позволяющим сформировать однонаправленную ДН, является применение двухкольцевой ФАР, в которой излучатели второго (внутреннего) кольца также выполняли бы функцию активных (или пассивных) рефлекторов. Такая двухкольцевая ФАР так же конструктивно сложна и требует сложной схемы питания элементов от фидерного тракта. Кроме того, она имеет существенный недостаток: ее коэффициент направленного действия (КНД) в направлении максимума излучения будет меньше, чем у КФАР из-за того, что в формировании синфазного фронта излучаемой радиоволны принимает участие меньшее количество излучателей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является изобретение по А.С. №1462440 1986 г., в котором в состав КФАР входят группы расположенных рядом излучателей, питающихся от диаграммообразующей схемы (ДОС) через управляемые фазовращатели и делителя в равных долях мощности радиопередающего устройства. ДОС обеспечивает питание группы рядом расположенных излучателей так, что определенное амплитудно-фазовое распределение токов в группе излучателей минимизирует излучение КФАР в направлении, противоположном максимуму ДН.

Недостатками данного способа питания элементов КФАР являются следующие:

сложность коммутации групп излучателей для обеспечения сканирования ДН в пространстве и конструктивного построения делителя мощности;

нерациональное использование апертуры КФАР и мощности передающего устройства, так как одновременно в формировании ДН КФАР участвует только одна группа излучателей выбранного сектора, а не весь комплекс излучателей КФАР;

характеристики КФАР существенно зависят от изменения рабочей частоты передающего устройства и не позволяют обеспечить высокие значения КНД КФАР при коэффициенте перекрытия по диапазону более 1,5...2.

Кроме того, «определенное амплитудно-фазовое распределение» поля в раскрыве КФАР, заявленное в прототипе, фактически означает неравномерное амплитудное распределение поля, что значительно усложняет построение и функционирование диаграммообразующей схемы КФАР и делителя мощности передающего устройства.

Техническим результатом заявляемого способа питания элементов передающей КФАР является устранение недостатков, отмеченных в прототипе, и обеспечение стабильных характеристик излучения передающей КФАР во всем диапазоне KB (что особенно важно для нижней части диапазона KB), упрощение построения и коммутации ДОС КФАР и делителя мощности передающего устройства KB диапазона, рациональное использование излучателей КФАР, значительное повышение коэффициента использования раскрыва КФАР и обеспечение электрического сканирования фронтом электромагнитной волны во всем диапазоне KB с ослаблением излучения в направлении, противоположном максимуму ДН КФАР.

Сущность изобретения заключается в том, что питание элементов передающей КФАР, состоящей из излучателей, имеющих изотропную ДН в горизонтальной плоскости, питающихся от ДОС через управляемые фазовращатели и делитель в равных долях мощности передающего устройства, в верхней части KB диапазона выше 7 МГц осуществляется по принципу КФАР, а питание элементов КФАР в нижней части KB диапазона ниже 7 МГц осуществляется по принципу ДФАР, в которой излучателями являются пары диаметрально противоположных элементов ДФАР, выполняющие роль активного вибратора и активного рефлектора и имеющие ДН кардиоидного вида, перемещение главного лепестка ДН в азимутальной плоскости производится коммутацией парных диаметрально противоположных излучающих элементов КФАР, переход от кольцевой схемы питания элементов КФАР к дуговой схеме питания элементов КФАР осуществляется за счет коммутации и изменения фазового сдвига.

Техническая реализация заявляемого способа питания элементов передающей КФАР не требует изменения конструктивного исполнения и размещения элементов передающей КФАР, что очень важно для развертывания и эксплуатации КФАР. Переход от кольцевой схемы питания КФАР к дуговой схеме питания КФАР осуществляется только за счет коммутации и изменения фазового сдвига.

Это накладывает некоторые ограничения на общую конструкцию передающей КФАР. В известных КФАР в излучении принимают участие все излучатели КФАР, имеющие изотропную ДН. В ДФАР роль рефлекторов выполняют вибраторы, противоположно расположенные по отношению к вибраторам, образующим активную зону. Таким образом, каждая пара таких активных вибраторов образовывает двухэлементную антенную решетку продольного излучения. ДН такой элементарной антенной решетки будет иметь в азимутальной плоскости форму кардиоиды. Для этого требуется выполнения ряда условий:

определенным образом выбирается расстояние d между вибратором - излучателем и вибратором - активным рефлектором двухэлементной антенной решетки с ДН кардиоидного вида, чтобы во всем названном диапазоне частот выполнялось условие ;

фазовый сдвиг тока возбуждения активного рефлектора по отношению к току излучателя двухэлементной антенной решетки с ДН кардиоидного вида во всем диапазоне частот KB должен быть таким, чтобы их поля излучения в направлении рефлектора взаимно компенсировались. Это будет, если: ψ_AP=π-β·d, где ψ_AP - требуемый фазовый сдвиг; β - коэффициент фазы.

Если за основу построения передающей ДФАР взять восьмиэлементную КФАР с оптимальным расстоянием между диаметрально противоположными элементами двухэлементной антенной решетки продольного излучения d=2·a=2·7,5=15 метров, то первое условие выполняется. В излучении будут участвовать не все элементы, а только шесть из них (три пары), образующих активную зону излучения. При этом суммарная ДН КФАР будет однонаправленной и стабильной во всем диапазоне частот КВ. Для обеспечения возможности перемещения главного лепестка ДН предлагаемой КФАР в азимутальной плоскости (сканирования по азимуту) производится коммутация попарных диаметрально противоположных излучающих элементов КФАР с помощью коммутатора. Величина скачка при коммутации составит 45°, что обеспечивает полное перекрытие секторов излучения КФАР.

На фиг.4 приведена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ питания элементов передающей кольцевой - дуговой ФАР. Устройство содержит управляемый цифровым кодом делитель мощности передающего устройства KB диапазона 1, соединенный с выходом передающего устройства KB диапазона, управляемые цифровым кодом восемь фазовращателей 2-9, восемь излучателей 10-17 фазированной антенной решетки (формирующие ДН кардиоидного вида в диапазоне KB ниже 7 МГц и функционирующие независимо друг от друга в диапазоне KB выше 7 МГц), причем выход передающего устройства KB диапазона соединен с первым входом делителя мощности передающего устройства KB диапазона 1, на второй вход которого подается управляющий сигнал включения ДН кардиоидного вида, восемь выходов делителя мощности передающего устройства KB диапазона 1 соединены с первыми входами фазовращателей 2-9 соответственно, на вторые входы фазовращателей 2-9 подается цифровой код управления от устройства управления, выходы фазовращателей 2-9 соединены с соответствующими излучателями фазированной антенной решетки 10-17, на третий вход блока 1 подается код управления поворотом ДН КФАР в азимутальной плоскости.

Работа устройства, реализующего заявляемый способ, заключается в следующем. Усилитель мощности передающего устройства KB диапазона формирует мощные высокочастотные сигналы и направляет их в блок делителя мощности передающего устройства KB диапазона 1, который осуществляет деление мощности передающего устройства в равных долях для каждого блока фазовращателя 2-9. В диапазоне частот передающего устройства KB ниже 7 МГц КФАР работает, как ДФАР с ДН кардиоидного вида, и на второй вход делителя мощности передающего устройства KB диапазона 1 от системы управления подается сигнал включения ДН кардиоидного вида, при этом осуществляется деление мощности передающего устройства в равных долях между входами шести фазовращателей, например, 2 и 3, 4 и 5, 8 и 9. На входы фазовращателей 6 и 7 мощность передающего устройства KB не подается. Таким образом формируется активная зона излучающих элементов ДФАР продольного излучения, включающей в себя попарно диаметрально противоположные излучатели 2 и 3, 4 и 5, 8 и 9 (фиг.5). Управляющий цифровой код от системы управления подают на вторые входы фазовращателей активной зоны и обеспечивают требуемый сдвиг фаз высокочастотных сигналов для питания трех пар диаметрально противоположных излучателей передающей ДФАР с целью получения ДН кардиоидного вида от каждой пары диаметрально противоположных излучателей ДФАР. При необходимости осуществлять изменение азимутального положения максимума излучения ДФАР в пространстве на третий вход делителя мощности передающего устройства KB диапазона подается управляющий код от системы управления, который производит коммутацию выходов делителя мощности таким образом, чтобы элементы активной зоны ДФАР соответствовали требуемому азимутальному угловому положению ДН ДФАР. Пример поворота ДН ДФАР на другой азимут (315°) при коммутации элементов активной зоны ДФАР представлен на фиг.6.

В диапазоне рабочих частот KB выше 7 МГц получение суммарной ДН КФАР обеспечивается питанием всех излучателей КФАР, для чего на второй вход делителя мощности передающего устройства KB диапазона от системы управления подается сигнал выключения ДН кардиоидного вида, при этом осуществляется деление мощности передающего устройства в равных долях между всеми входами фазовращателей 2-9. Управляющий цифровой код от системы управления подается на вторые входы фазовращателей 2-9 и обеспечивает требуемый фазовый сдвиг высокочастотных сигналов для питания всех излучателей КФАР с целью получения требуемой суммарной ДН КФАР. Пример формирования суммарной ДН КФАР в диапазоне частот выше 7МГц представлен на фиг.7.

Для изменения азимутального положения максимума излучения КФАР в пространстве на управляющий второй вход фазовращателей 2-9 подают управляющий код от системы управления, который обеспечивает фазированное питание элементов передающей КФАР, соответствующее требуемому угловому положению суммарной ДН.

На фиг.8, 9, 10 приведены результаты расчета ДН кольцевой - дуговой (комбинированной) ФАР с количеством излучателей 8, радиусом окружности кольца 7,5 м, функционирующей по заявляемому способу питания элементов передающей КФАР на характерных частотах KB диапазона. Расчет наглядно показывает, что ДН КФАР (по сущности - дуговой в диапазоне KB ниже 7 МГц и кольцевой в диапазоне KB выше 7 МГц) в горизонтальной плоскости имеет выраженные направленные свойства во всем диапазоне частот КВ.

Заявляемый способ питания КФАР и устройство, реализующее данный способ, позволяют получить стабильные характеристики направленного излучения КФАР во всем диапазоне KB и обеспечить управление суммарной ДН КФАР, упростить построение и коммутацию ДОС КФАР и делителя мощности передающего устройства KB, рационально использовать излучатели КФАР, значительно повысить коэффициент использования раскрыва КФАР.

1. Способ питания элементов передающей кольцевой фазированной антенной решетки (ФАР), состоящей из излучателей, имеющих изотропную диаграмму направленности (ДН) в горизонтальной плоскости, питающихся от диаграммообразующей схемы через управляемые фазовращатели и делитель в равных долях мощности передающего устройства, отличающийся тем, что питание элементов кольцевой ФАР в верхней части коротковолнового (KB) диапазона выше 7 МГц осуществляется по принципу кольцевой ФАР, а питание элементов кольцевой ФАР в нижней части KB диапазона ниже 7 МГц осуществляется по принципу дуговой ФАР, в которой излучателями являются пары диаметрально противоположных элементов дуговой ФАР, выполняющие роль активного вибратора и активного рефлектора и имеющие ДН кардиоидного вида, перемещение главного лепестка ДН в азимутальной плоскости производится коммутацией парных диаметрально противоположных излучающих элементов ФАР, переход от кольцевой схемы питания элементов ФАР к дуговой схеме питания элементов ФАР осуществляется за счет коммутации и изменения фазового сдвига.

2. Устройство, реализующее способ питания элементов передающей кольцевой ФАР, в состав которой входят группы расположенных рядом излучателей, питающихся от диаграммообразующей схемы через управляемые фазовращатели и делитель в равных долях мощности передающего устройства, отличающееся тем, что содержит управляемый цифровым кодом делитель мощности передающего устройства KB диапазона, управляемые цифровым кодом восемь фазовращателей, восемь излучателей кольцевой ФАР, которые питаются по принципу дуговой ФАР, состоящей из трех пар диаметрально противоположных излучателей и формирующей ДН кардиоидного вида в диапазоне ниже 7 МГц, а в диапазоне выше 7 МГц излучатели питаются по принципу кольцевой ФАР из восьми изотропных излучателей с круговой ДН, причем выход усилителя мощности передающего устройства KB диапазона подключен к первому входу управляемого делителя мощности передающего устройства KB диапазона, на второй вход которого подается управляющий сигнал включения ДН кардиоидного вида, восемь выходов делителя мощности передающего устройства KB диапазона соединены с первыми входами фазовращателей соответственно, на вторые входы фазовращателей поступает цифровой код управления от устройства управления, который устанавливает соответствующие фазовые сдвиги для формирования ДН кардиоидного вида трем парам диаметрально противоположных излучателей, либо устанавливает фазовые сдвиги всем излучателям для управления ДН кольцевой ФАР в азимутальной плоскости, выходы фазовращателей соединены с соответствующими излучателями ФАР, код управления поворотом ДН ФАР в диапазоне ниже 7 МГц подается на третий вход делителя мощности передающего устройства KB диапазона.