Приемная антенная решетка с обработкой сигнала
Владельцы патента RU 2731111:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к радиотехнике, предназначено для преобразования энергии электромагнитного поля СВЧ-диапазона радиоволн в постоянный электрический ток. Устройство может быть использовано в радиолокации, регистрации источников СВЧ-излучения и др. Устройство состоит из М=2,3,4… рядов, каждый из которых содержит N=1,2,3,4… вибраторов, лежащих в одной плоскости и равноудаленных друг от друга, и M(N-1) детекторных диодов. Причем в каждом из М рядов концы соседних вибраторов соединены между собой (N-1) детекторными диодами по постоянному току, включенными последовательно и однополярно, а свободные концы крайних вибраторов М рядов соединены между собой параллельно и однополярно и подключены к нагрузке антенны. Вибраторы антенной решетки выполнены в виде разомкнутых петлевых круговых вибраторов, каждый из которых имеет радиус R=(0,16-0,18)λ, расстояние между центрами соседних вибраторов в ряде, а также расстояние между центрами соседних вибраторов в соседних рядах равно 2R+λ/4, где λ - длина волны излучения. Технический результат изобретения выражается в обеспечении изотропной диаграммы направленности антенны в плоскости антенной решетки, а также расширении полосы спектра приема СВЧ-сигналов антенны при сохранении простоты и надежности конструкции. 6 ил.
Изобретение относится к радиотехнике, предназначено для преобразования энергии электромагнитного поля СВЧ диапазона радиоволн в постоянный электрический ток посредством некогерентного приема входного сигнала и когерентной обработки выходного напряжения антенной решетки. Устройство может быть использовано в радиолокации, регистрации источников СВЧ излучения, контроля электромагнитной обстановки и электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств.
Известна линейная антенная решетка [1] с некогерентным приемом входного сигнала СВЧ и когерентной обработкой выходного напряжения антенны, состоящей из N = 2, 3, 4… полуволновых линейных вибраторов, соединенных между собой последовательно и однополярно детекторными диодами общим числом N - 1 = 1, 2, 3…
Недостатком устройства является возрастание выходного сопротивления в (N - 1) раз, что затрудняет оптимальное согласование нагрузки с выходом антенны. Другим недостатком является низкая надежность: в случае обрыва в любом детекторном диоде разрывается общая цепь детекторов в целом.
Наиболее близким по технической сущности устройства - прототипом, является антенная решетка с обработкой сигнала, представленная на фиг. 1 [2]. За счет соответствующего выбора чисел N и М можно реализовать оптимальное согласование выхода антенны и нагрузки. Кроме того, за счет параллельного включения М однотипных линейных рядов, выход из строя одного или даже нескольких детекторов, числом менее М (короткое замыкание или обрыв), не приводит к прекращению работы антенны в целом.
Недостатками устройства является неравномерная диаграмма направленности антенны в плоскости антенной решетки, обусловленная неравномерной диаграммой направленности одиночного полуволнового вибратора, а также относительно узкая ширина полосы спектра принимаемых СВЧ сигналов.
Технический результат изобретения выражается в обеспечении изотропной диаграммы направленности антенны в плоскости антенной решетки, а также в расширении полосы спектра приема СВЧ сигналов антенны при сохранении простоты и надежности конструкции.
Достижение технического результата обеспечивается заменой в каждом из М рядов антенной решетки прототипа N полуволновых вибраторов на то же самое число разомкнутых петлевых круговых вибраторов, длина окружности которых близка к длине волны λ.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Фиг. 1. Прототип изобретения - антенная решетка с обработкой сигнала, где
1 - полуволновый вибратор;
2 - диодный детектор;
3 - проводники, соединяющие однополярные выходы М рядов между собой;
4 - выход антенны;
λ - длина волны [2].
Фиг. 2. Диаграмма направленности полуволнового вибратора, где θ - угол места, α - угол азимута прихода волны λ [3, с. 77, рис. 4.3].
Фиг. 3. Апертура одиночного полуволнового вибратора, представленная в виде зависимости нормализованной относительно длины волны апертуры (обратного рассеяния) одиночного полуволнового вибратора σ1/λ2 от отношения на примере стального стержня, покрытого серебром, λ=10 см, а/λ=3,5⋅10-3, где
σ1 - апертура вибратора;
- длина вибратора;
а - радиус вибратора [4, с. 95, рис. 35, а].
Фиг. 4. Апертура разомкнутого петлевого кругового вибратора (круглой металлической петли), представленная в виде зависимости нормализованной относительно длины волны апертуры (обратного рассеяния) разомкнутого петлевого кругового вибратора σ2/λ2 от отношения а/λ при различных значениях угла θ, где
σ2 - апертура разомкнутого петлевого кругового вибратора;
θ - угол падения электромагнитной волны [4, с. 100, рис. 38].
Фиг. 5. Принципиальная схема предлагаемого устройства приемной антенной решетки с обработкой сигнала, где
1 - разомкнутый петлевой круговой вибратор;
2 - детекторный диод;
3 - проводники, соединяющие между собой однополярные выходы линейных рядов;
4 - выход антенны;
R - радиус вибратора;
М - число рядов;
N - число вибраторов в каждом ряду.
Фиг. 6. Принципиальная схема макета предлагаемого устройства приемной антенной решетки с обработкой сигнала, имеющей М=2 ряда по N = 10 разомкнутых петлевых круговых вибраторов и N - 1 = 9 детекторных диодов в каждом из них, рассчитанных на прием сигналов на волне λ=6,0 см при использовании обращенных туннельных диодов АИ402.
Предлагаемая приемная антенная решетка с обработкой сигнала представлена на фиг. 5. Она состоит из М = 2, 3, 4… рядов, каждый из которых содержит N = 1, 2, 3, 4… вибраторов, лежащих в одной плоскости и равноудаленных друг от друга и M(N - 1) детекторных диодов. Причем в каждом из М рядов концы соседних вибраторов соединены между собой (N - 1) детекторными диодами по постоянному току, включенными последовательно и однополярно, а свободные концы крайних вибраторов М рядов соединены между собой параллельно и однополярно и подключены к нагрузке антенны.
Вибраторы антенной решетки выполнены в виде разомкнутых петлевых круговых вибраторов, каждый из которых имеет радиус R = (0,16-0,18)λ, расстояние между центрами соседних вибраторов в ряде, а также расстояние между центрами соседних вибраторов в соседних рядах равно 2R + λ/4, где λ - длина волны излучения.
Неравномерная диаграмма направленности антенны в плоскости антенной решетки прототипа объясняется следующим. Согласно фиг. 2, в плоскости магнитного вектора 
диаграмма направленности полуволнового вибратора изотропна при углах азимута прихода волны α = 0°-360°, а в плоскости электрического вектора 
имеет вид «восьмерки», описываемой как А = cos2θ при углах места прихода волны θ = 0°-360°, что свидетельствует о неравномерности приема в направлении вдоль продольной оси вибратора.
Узкая ширина полосы спектра принимаемых СВЧ сигналов прототипа описывается зависимостью, представленной на фиг. 3, где нормализованная относительно длины волны апертура одиночного полуволнового вибратора σ1/λ2 достигает своего максимального значения σ1/λ2 = 0,86 при 
. При 
она снижается практически до нуля, а при 
достигает величины σ1/λ2 = 0,17.
От указанных недостатков полуволнового вибратора в значительной степени свободен разомкнутый петлевой круговой вибратор, длина окружности которого примерно равна длине волны [4, с 100-102]:
где R - радиус петлевого кругового вибратора.
Диаграмма направленности петлевого кругового вибратора, при размещении в плоскости антенной решетки при нормальной падении волны, является практически изотропной, в отличии от полуволнового вибратора [5, с. 67-68].
Апертура разомкнутого петлевого кругового вибратора (круглой металлической петли), представленная на фиг. 4, свидетельствует о наличии максимумов нормализованной относительно длины волны апертуры σ2/λ2 при значениях R ≈ (0,16…0,20)λ. Так при нормальном падении волны (θ = 0°) максимальное значение σ2/λ2 = 2,0 при R = 0,18λ. При иных углах θ наблюдается уменьшение апертуры до значений σ2/λ2 = 1,2 для θ = 30° и σ2/λ2 = 0,45; 0,21 для θ = 60° и 90° соответственно. Таким образом, расширение полосы спектра приема СВЧ сигналов соблюдается на уровне до - 6 дБ при изменении длины волны в пределах λ = 1,0…2,0 для θ = 0°±30°, что не может обеспечить полуволновой вибратор.
Расстояние между центрами соседних вибраторов в ряде, а также расстояние между центрами соседних вибраторов в соседних рядах выбирается исходя из минимизации зоны взаимного влияния вибраторов друг на друга и составляет 2R + λ/4.
Приемная антенная решетка с обработкой сигнала работает следующим образом (фиг. 5). Электромагнитное поле воздействует на круговые петлевые вибраторы 1. Разность потенциалов на концах соседних вибраторов через детекторные диоды одного ряда и выпрямленное напряжение рядов складывается последовательно и однополярно и составляет
Ur = (N - 1)Un,
где Ur - напряжение на концах одного ряда;
Un - напряжение на одном диодном детекторе.
За счет однополярного параллельного соединения М рядов между собой выходное напряжение Uвых антенной решетки в целом составляет
Uвых = (N - 1)MUn.
В свою очередь выходное сопротивление Rвых для антенной решетки уменьшается в (N - 1)М раз по сравнению с выходным сопротивлением Rn одного детектора и составляет
тем самым обеспечивая оптимальное согласование антенны с оконечной нагрузкой, подключаемой к клеммам 4.
При осуществлении предлагаемой антенной решетки с обработкой сигнала важно правильно выбрать тип детекторных диодов, обладающих максимальной чувствительностью, то есть минимальной мощностью входного сигнала, при которой детектор начинает работать в линейном режиме.
Согласно справочным данным [6, 7], максимальной чувствительностью обладают обращенные туннельные диоды на основе арсенида галлия АИ402, достигающей 10-9 - 10-10 Вт. Им несколько уступают германиевые точечные плоскостные высокочастотные диоды 1Д705, Д310, а также Д9. Их чувствительность лежит в пределах 10-8 - 10-9 Вт. Диоды Шоттки обеспечивают чувствительность 10-6 - 10-7 Вт, а кремниевые всего 10-5 - 10-6 Вт.
В целях проверки теоретических расчетов был изготовлен макет антенной решетки, конструкция которого приведена на фиг. 6. Радиус петлевого кругового вибратора равен 10,0 мм, толщина провода d=2,0 мм, диоды в количестве 18 штук типа АИ402Б.
В качестве источника излучения широкополосного сигнала на волне λ=6,0 см использовался генератор с выходной мощностью 100 мкВт, нагруженный на петлевой вибратор, аналогичный используемому в антенной решетке.
Выходной сигнал измерялся универсальным многофункциональным цифровым мультиметром М-830 В. Измерение постоянного напряжения холостого хода проводилось по шкале 0-2000 мВ при входном сопротивлении 10,0 Мом; ток короткого замыкания по шкале 0-200 мкА.
В ходе испытаний макета антенной решетки генератор сигнала СВЧ был установлен над ней на высоте, при которой напряжение холостого хода решетки составил Uxx = 1,5 В, а ток короткого замыкания Iкз = 38 мкА. Следовательно, выходное сопротивление решетки равно
Rвых = Uxx/Iкз = 1,5/3,8⋅10-5 = 4⋅104 Ом = 40 кОм.
С учетом того, что выходное сопротивление решетки связано с выходным сопротивлением каждого детектора зависимостью
а М = 2, N = 10, получим
Rn = 40/4,5 = 8,9 кОм.
Очевидно, что при оптимальном согласовании, когда сопротивление нагрузки равно выходному сопротивлению антенны, выходная мощность решетки составляет
Следовательно, выходная мощность каждого детектора решетки 
равна
Изменение положения источника СВЧ излучения по азимуту в пределах α = 0°-360° приводило к изменению напряжения холостого хода не более чем ±3,0 дБ, а при отклонении угла места θ в пределах θ = 0°±60° такие изменения не выходили за пределы 6,0 дБ.
Таким образом, проведенные теоретические расчеты и экспериментальные испытания макета изобретения - приемной антенной решетки с обработкой сигнала подтвердили соответствие полученных результатов поставленной цели.
Источники информации
1. Патент RU 2485670 «Индикатор поля СВЧ излучения». Опубликовано 20.06.2013.
2. Патент RU 2571586 «Антенная решетка с обработкой сигнала». Опубликовано 20.12.2015.
3. Джон Девис, Джон Карр. Карманный справочник радиоинженера / Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Додека - XXI», 2002. - 544 с.: ил.
4. Р. Кинг, У Тай-Цзунь. Рассеяние и дифракция электромагнитных волн / Под ред. Э.Л. Бурштейна. Пер. с англ. Г.В. Воскресенского. - М.: Иностранная литература, 1962. - 193 с.
5. Григоров И.Н. Все об антеннах. - М: ДМК Пресс, 2009. - 352 с.: ил.
6. Котт В.М., Гавриков Г.К., Баваров С.Ф. Туннельные диоды в вычислительной технике. - М.: Советское радио, 1967. - 215 с.
7. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник. Под общей редакцией Н.Н. Горюнова. - М.: Энергоиздат, 1983. - 744 с., ил.
Приемная антенная решетка с обработкой сигнала, состоящая из М=2,3,4… рядов, каждый из которых содержит N=1,2,3,4… вибраторов, лежащих в одной плоскости и равноудаленных друг от друга, и M(N-1) детекторных диодов, причем в каждом из М рядов концы соседних вибраторов соединены между собой (N-1) детекторными диодами по постоянному току, включенными последовательно и однополярно, а свободные концы крайних вибраторов М рядов соединены между собой параллельно и однополярно и подключены к нагрузке антенны, отличающаяся тем, что все вибраторы антенной решетки выполнены в виде разомкнутых петлевых круговых вибраторов, каждый из которых имеет радиус (0,16-0,18)λ, расстояние между центрами соседних вибраторов в ряде, а также расстояние между центрами соседних вибраторов в соседних рядах равно 2R+λ/4, где λ - длина волны излучения.
