Антенна

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах с сигналами с круговой и линейной поляризациями. Техническим результатом является одновременное формирование заданных значений коэффициентов эллиптичности и уровня диаграммы направленности в двух различных направлениях при сохранении энергетических характеристик антенны. Антенна состоит из трех взаимно перпендикулярных электрических вибраторов с электрическими размерами плеч L_x, L_y, L_z и совмещенными центрами, делителя мощности и фазовращателей, включенных между выходами делителя мощности и входами электрических вибраторов. Между указанными входами вибраторов и фазовращателями дополнительно установлены аттенюаторы. Устройство снабжено блоком решения системы алгебраических уравнений (БРСАУ), первый и второй коммутаторы (К) с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), входы первого К с АЦП являются входами устройства, а его выходы подключены к БРСАУ, выходы БРСАУ посредством К с АЦП электрически соединены с соответствующими входами управления фазовращателями и аттенюаторами. При этом комплексные амплитуды I₁, I₂, I₃ возбуждения электрических вибраторов должны удовлетворять определенной системе уравнений. 11 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть применено в составе радиотехнических систем, использующих сигналы с круговой и линейной поляризациями.

В системах радиосвязи с компенсацией помех используются основной канал и не менее одного, двух дополнительных компенсационных каналов. К антеннам компенсационных каналов предъявляются требования формирования в направлении источника сигнала нуля или заданного значения диаграммы направленности [1].

Известна турникетная антенна, содержащая два взаимно перпендикулярных электрических вибратора с совмещенными центрами и фазовращатель, обеспечивающий фазовый сдвиг при возбуждении вибраторов на угол 90 градусов [2, с.252, рис.10.8а].

Недостатком данной антенны является то, что при отклонении направления прихода полезного сигнала круговой поляризации от нормали к поверхности раскрыва антенны ухудшается согласование приемной антенны по поляризации.

Известно устройство, осуществляющее независимый прием компонент электромагнитной волны ортогональной парой вибраторов, образующих турникетную антенну, и формирующее единичный коэффициент эллиптичности при низких и средних углах места [3].

Недостатком данной антенны является то, что при отклонении направления прихода полезного сигнала круговой поляризации от нормали к поверхности раскрыва антенны ухудшаются энергетические характеристики приемной антенны.

Известна антенна, состоящая из трех взаимно ортогональных вибраторов с совмещенными центрами, входы электрических вибраторов которой подключены к выходам делителя мощности, а электрические размеры плеч вибраторов выбраны таким образом, чтобы в заданном направлении обеспечивалось формирование «нуля» векторной ДН антенны [4].

Недостатком данной антенны является то, что синфазное возбуждение вибраторов не позволяет применить ее в каналах связи с круговой поляризацией.

Наиболее близкой по техническому исполнению к предложенной антенне является антенна [5], состоящая из трех взаимно ортогональных вибраторов с электрическими размерами плеч L_x, L_y, L_z и совмещенными центрами, и делителя мощности, имеющего один вход и три выхода, между выходами делителя мощности и входами электрических вибраторов включены фазовращатели, причем для заданных распределения тока и направления θ, φ электрические размеры плеч L_x, L_y, L_z вибраторов и фазы их возбуждения Ψ_x, Ψ_y, Ψ_z должны удовлетворять системе неравенств:

L_x>0; L_y>0; L_z>0;

0°≤Ψ_х<360°; 0°≤Ψ_y<360°; 0°≤Ψ_z<360°,

где

; ;

F_θ(θ,φ)=(F_x(θ,φ)cosφ+F_y(θ,φ)sinφ)·cosθ-F_z(θ,φ)sinθ;

F_θ(θ,φ)=(F_y(θ,φ)cosφ+F_x(θ,φ)sinφ;

J_x(x), J_y(y), J_z(z) - распределения поверхностных токов вдоль электрических вибраторов;

- минимально допустимая величина коэффициента эллиптичности.

Как видно, система уравнений является недоопределенной и имеет бесконечное множество решений. Для получения однозначного решения: формирования единичного коэффициента эллиптичности полезного сигнала - в [5] одна из амплитуд возбуждения излучателей фиксировалась.

Недостатком данной антенны является то, что отсутствует возможность одновременного формирования заданных значений диаграммы направленности и коэффициента эллиптичности в двух различных направлениях на источники сигнала и помехи при сохранении энергетических характеристик антенны. Это необходимо при использовании векторной антенны в качестве компенсационной для формирования заданного значения (нуля) в диаграмме направленности в направлении полезного сигнала и заданного значения коэффициента эллиптичности в направлении помехового сигнала или в качестве самостоятельной антенны в системах радиосвязи.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи одновременного формирования заданных значений диаграммы направленности и коэффициента эллиптичности в двух различных направлениях при сохранении энергетических характеристик антенны.

Для достижения поставленного технического результата в антенну, состоящую из трех взаимно перпендикулярных электрических вибраторов с электрическими размерами плеч L_x, L_y, L_z и совмещенными центрами, делителя мощности, имеющего один вход и три выхода, и фазовращателей, между входами вибраторов и фазовращателями дополнительно установлены аттенюаторы, введены блок решения системы алгебраических уравнений, первый и второй коммутаторы с аналого-цифровыми преобразователями. Входы первого коммутатора с аналого-цифровым преобразователем являются входами устройства, а его выходы подключены к блоку решения системы алгебраических уравнений. Выходы блока решения системы линейных алгебраических уравнений посредством коммутатора с аналого-цифровым преобразователем электрически соединены с соответствующими входами управления фазовращателей и аттенюаторов. Для заданных направлений p₁(θ₁,φ₁) и p₂(θ₂,φ₂) и установленных в этих направлениях значений диаграмм направленности антенны D_θ(p₁)D_φ(p₁), D_θ(p₂)±iD_φ(p₂) комплексные амплитуды I₁, I₂, I₃ возбуждения электрических вибраторов должны удовлетворять системе уравнений вида

;

,

где I₁, I₂, I₃ - комплексные амплитуды возбуждения взаимно ортогональных излучателей в составе векторной антенны, , (i=1, 2, 3) - компоненты векторной диаграммы направленности i -го излучателя в составе векторной антенны; D_θ, D_φ - заданное значение векторной диаграммы направленности в направлении p₁(θ₁,φ₁) или p₂(θ₂,φ₂).

Проведенный сравнительный анализ признаков заявленного устройства и устройства-прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что изменена совокупность существенных признаков:

- введены аттенюаторы между входом каждого из электрических вибраторов и фазовращателем;

- введен блок решения системы линейных алгебраических уравнений;

- введены первый и второй коммутаторы с аналого-цифровыми преобразователями;

- изменены связи между элементами, обусловленные введением новых элементов.

На фиг.1 изображена антенна, состоящая из трех взаимно ортогональных электрических вибраторов с совмещенными центрами.

На фиг.2 приведена электрическая структурная схема устройства управления комплексными амплитудами токов возбуждения электрических вибраторов: модулями и фазами.

На фиг.3 изображена электрическая структурная схема блока решения системы линейных алгебраических уравнений в качестве одного из возможных примеров реализации.

На фиг.4 приведен алгоритм функционирования блока решения системы линейных алгебраических уравнений, приведенного на фиг.3.

На фиг.5-11 приведены результаты численных исследований, подтверждающих возможность реализации предложенной антенны в качестве компенсационной с заданными значениями диаграммы направленности и коэффициента эллиптичности в направлениях на сигнал и помеху или с нулевым коэффициентом передачи в одном из направлений.

Антенна состоит из трех взаимно перпендикулярных электрических вибраторов с совмещенными центрами. Линейные размеры электрических вибраторов 1, 2, 3 соответственно равны l₁, l₂ и l₃, а электрические размеры - L₁, L₂ и L₃ (фиг.1). Входы электрических вибраторов 1, 2, 3 через последовательно включенные аттенюаторы 4, 5, 6 и фазовращатели 7, 8, 9 подключены к выходам делителя мощности 10, который имеет один вход (фиг.2). Входы блока решения системы алгебраических уравнений 11 подключены к первому 12 коммутатору с аналого-цифровым преобразователем, а выходы - через второй 13 коммутатор с аналого-цифровым преобразователем - к входам управления аттенюаторов и фазовращателей.

Для удобства пояснения работы предложенного устройства приведен пример реализации блока 11 решения системы линейных алгебраических уравнений, структурная электрическая схема которого изображена на фиг.3, а алгоритм его функционирования - на фиг.4.

В состав блока 11 решения системы линейных алгебраических уравнений (фиг.3) входят аналого-цифровой преобразователь 14 АЦП (может входить и в состав коммутатора 12), регистр 15 RG, арифметико-логическое устройство 16 АЛУ, оперативное запоминающее устройство 17 ОЗУ, шины 18, 19, 20 ШД, ША, ШУ, порты 21, 22, 23 ПА, ПВ, ПС, перепрограммируемое запоминающее устройство 24 ППЗУ и генератор тактовых импульсов 25 ГТИ. На фиг.3 показаны также связи коммутатора 12 с входами блока 11, а именно: со входами многоканального аналого-цифрового преобразователя - и с входами второго 13 коммутатора. Не показаны стандартные цепи синхронизации и связи генератора тактовых импульсов 25.

Прежде чем рассмотреть функционирование предлагаемого устройства, проведем теоретическое обоснование метода, который реализован в предлагаемом устройстве.

В сферической системе координат векторная диаграмма направленности имеет две составляющие F_θ, F_φ и для формирования заданного значения векторной диаграммы направленности антенны в направлении (θ₀, φ₀) необходимо решить систему уравнений:

Если направления р₁(θ₁,φ₁) и p₂(θ₂,φ₁) совпадают, то уравнение (3) является линейной комбинацией уравнений (1) и (2), а определитель системы уравнений (1)-(3) будет равен нулю. В дальнейшем рассматриваем решение системы уравнений (1)-(3) для несовпадающих направлений p₁(θ₁,φ₁) и p₂(θ₂,φ₂), обеспечивающих линейную независимость коэффициентов при неизвестных.

При этом определитель системы уравнений (1)-(3) будет равен:

Для отыскания решения системы воспользуемся формулами Крамера.

Анализ выражений (5)-(7) показывает, что решение системы уравнений (1)-(3) будет тривиальным, если в обоих направлениях р₁ и p₂ формируются «нули» диаграммы направленности. Подобное решение будет иметь место и в случае, когда

Отсюда следует, что с помощью системы уравнений (1)-(3) можно определить параметры антенны, обеспечивающей:

- формирование «нуля» диаграммы направленности в направлении р₁

при нулевом значении коэффициента эллиптичности в направлении р₂;

- формирование в направлении р₁ «нуля» в одной компоненте диаграммы направленности при нулевом или единичном значении коэффициента эллиптичности в направлении р₁;

- формирование единичного значения коэффициента эллиптичности в направлении р₁, при формировании в направлении р₂ единичного или произвольного значения коэффициента эллиптичности.

Этих возможностей достаточно для реализации компенсационной антенны с нулевым коэффициентом передачи в направлении р₂.

Работа устройства организована следующим образом.

На первом этапе в соответствии с алгоритмом функционирования производится ввод исходных данных. К ним относятся направления формирования заданных значений диаграммы направленности и коэффициента эллиптичности р₁(θ₁,φ₁) и p₂(θ₂,φ₂) и элементы правой части системы линейных алгебраических уравнений b₁=D_θ(р₁),b₂=Dφ(р₁) и b₃=D_θ(p₂)±iD_φ(p₂) - установленные значения θ-й и φ-й компонент диаграммы направленности антенны в направлениях р₁(θ₁,φ₁) и р₂(θ₂,φ₂). Указанные данные преобразуются с помощью аналого-цифрового преобразователя 14 в цифровой код и посредством регистра 15 вводятся в арифметико-логическое устройство 17. В устройстве 17 вычисляются значения диаграмм направленности каждого из симметричных вибраторов как коэффициенты матрицы

,

После этого находятся определители системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) в соответствии с выражениями (6) - (8) или в соответствии с обозначениями фиг.4

Δ=a₁₁a₂₂a₃₃+a₂₁(a₁₃a₃₂-a₁₂a₃₃)-a₂₂(a₁₁a₃₃-a₁₃a₃₁)

Δ₁=а₂₂(a₃₃b₁-a₁₃b₃)+b₂(a₁₃a₃₂-a₁₂a₃₃)

Δ₂=a₂₁(b₃a₁₃-b₁a₃₃)+b₂(a₁₁a₃₃-a₁₃a₃₁)

Δ₃=b₁(a₂₁a₃₂-a₃₁a₂₂)+b₂(a₁₂a₃₁-a₁₁a₃₂)+b₃(a₁₁a₂₂-a₁₂a₂₁)

На последнем этапе в устройстве 16 вычисляются комплексные значения токов возбуждения вибраторов, выделяются их модули и фазы. Хранение промежуточных результатов вычислений осуществляется в оперативном запоминающемся устройстве 17. Найденные значения амплитуд и фаз токов хранятся до следующего цикла вычислений в перепрограммируемом запоминающемся устройстве 24 и откуда поступают через порты 22, 23 на входы коммутатора 13 К₂, где формируются управляющие воздействия на перестройку фазовращателей 7-9 и аттенюаторов 4-6. В соответствии с управляющими воздействиями меняется значение тока в каждом из вибраторов, что обеспечивает формирование требуемой диаграммы направленности антенны. Ввод исходных данных в коммутатор 12 производится от специализированной ПЭВМ или вручную.

Реализация введенных элементов не вызывает затруднений и может быть произведена с использованием современной базы, описанной, например, в [6-8]. Так в качестве коммутаторов могут быть использованы твердотельные ключи, твердотельные микроэлектромеханические СВЧ коммутаторы или переключательные матрицы. В качестве аттенюаторов могут быть использованы аттенюаторы с дискретным (плавным) изменением ослабления. Блок решения системы линейных алгебраических уравнений может быть построен на базе PIC контроллера старшего подсемейства 17 или 18 серии.

Рассмотрим результаты численного моделирования с использованием выражений (9-17). На фиг.5 приведена суммарная диаграмма направленности антенны, формирующая «нуль» в направлении р₁=(θ=10°,φ=25°). На фиг.6 показана суммарная диаграмма направленности антенны, имеющая произвольное значение в направлении р₂=(θ=60°,φ=-50°], при этом значение коэффициента эллиптичности в указанных направлениях равно «нулю». На фиг.7 и 8 приведены значения коэффициента эллиптичности для направлений р₁ и p₂ соответственно, при формировании в направлении р₁ «нуля» в одной компоненте диаграммы направленности антенны, что показано на фиг.9. На фиг.10 и 11 показано формирование единичного значения коэффициента эллиптичности в направлении р₁ и р₂.

Таким образом, получаемый технический результат, достигаемый в результате введения в антенну аттенюаторов, блока решения системы алгебраических уравнений, первого и второго коммутаторов с аналого-цифровыми преобразователями и изменение в связи с этим связей между элементами антенны, заключается в одновременном формировании заданных значений диаграммы направленности и значения коэффициента эллиптичности в двух различных направлениях при сохранении энергетических характеристик антенны.

Список литературы

1. Патент №2349996 (РФ). Способ компенсационного подавления помех в многоканальной антенной системе // В.Н.Колесников, С.Е.Мищенко, В.В.Шацкий - Бюл. изобр., 2007, №15, МПК H01Q 21/24.

2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988, - 432 с.

3. Авт. свид. 1376146 (СССР). Фазированная антенная решетка с круговой поляризацией поля / Э.П.Абракин, Л.Л.Базеян и А.И.Браженко // 1988, Бюл. изобр. №7.

4. Патент №2080713 (РФ). Антенна / Д.Д.Габриэльян, С.Е.Мищенко, В.В.Шацкий // 1997, Бюл. изобр. №15, 6 H01Q 21/24.

5. Патент №2268520 (РФ). Антенна / С.В.Землянский, Е.Н.Мищенко, С.Е.Мищенко, В.В.Шацкий // Бюл. изобр., 2004, №15, МПК H01Q 21/24.

6. Белов Л. Переключатели СВЧ сигналов // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука. Технология. Бизнес, 2006, №1, с.20-25.

7. Белов Л. Аттенюаторы СВЧ сигналов // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука. Технология. Бизнес, 2006, №1, с.32-38.

8. Современные быстродействующие АЦП с большим динамическим диапазоном // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука. Технология. Бизнес, 2006, №4, с.23-25.

Антенна, состоящая из трех взаимно перпендикулярных электрических вибраторов с электрическими размерами плеч L_x, L_y, L_z и совмещенными центрами, делителя мощности, имеющего один вход и три выхода, и фазовращателей, отличающаяся тем, что между входами электрических вибраторов и фазовращателями дополнительно установлены аттенюаторы, введены блок решения системы алгебраических уравнений, первый и второй коммутаторы с аналого-цифровыми преобразователями, входы первого коммутатора с аналого-цифровым преобразователем являются входами устройства, а его выходы подключены к блоку решения системы алгебраических уравнений, выходы блока решения системы линейных алгебраических уравнений посредством коммутатора с аналого-цифровым преобразователем электрически соединены с соответствующими входами управления фазовращателями и аттенюаторами, причем для различных направлений p₁(θ₁,φ₁) и р₂(θ₂,φ₂) и при установленных значениях компонент диаграммы направленности антенны D_θ(p₁), D_φ(p₁) и в этих направлениях комплексные амплитуды I₁, I₂, I₃ возбуждения электрических вибраторов должны удовлетворять системе уравнений вида

,

где I₁, I₂, I₃ - комплексные амплитуды возбуждения взаимно ортогональных электрических вибраторов в составе антенны, , (i=1, 2, 3) - компоненты векторной диаграммы направленности 1-го электрического вибратора в составе антенны; D_θ, D_φ - установленное значение векторной диаграммы направленности антенны в направлении p₁(θ₁,φ₁) или р₂(θ₂,φ₂).