Антенна для измерений в ближней зоне

Авторы патента:

Седельников Юрий Евгеньевич (RU)

Насыбуллин Айдар Ревкатович (RU)

Тутьяров Никита Анатольевич (RU)

Шагвалиев Тимур Радикович (RU)

H01Q21/00 - Антенные решетки и системы (с изменяемой ориентацией луча или изменяемой формой диаграммы направленности H01Q 3/00; электрически длинные антенны H01Q 11/00)

Владельцы патента RU 2757995:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) (RU)

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенным измерениям, осуществляемым в ближней зоне. Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение равномерности диаграммы направленности антенного датчика в секторе углов, соответствующих области измерений типовой измерительной аппаратурой. Технический результат достигается тем, что антенна-датчик для измерений в ближней зоне, состоящая из прямоугольного отрезка волновода, один конец которого выполнен открытым, а к другому концу присоединен фланец, образующий вход антенны, экран, в виде кольца диаметром D<2λ, где λ - длина волны, и пластину из материала с отрицательной магнитной проницаемостью, установленную перпендикулярно открытому концу волновода. Разработанная антенна для измерений в ближней зоне позволяет повысить равномерность диаграммы направленности в секторе углов, соответствующих области измерений типовой аппаратурой для антенных измерений. 6 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенным измерениям, осуществляемым в ближней зоне.

Изобретение может быть использовано в аппаратуре для измерений характеристик антенных решеток, в том числе активных (АФАР), мониторинга их состояния, выявления неисправных элементов.

Одной из важных задач современной антенной техники является диагностика состояния антенн, в том числе ФАР и АФАР. Известно, что диагностику технического состояния их можно осуществить путем измерения пространственного распределения электромагнитного поля, излучаемого обследуемой антенной в ближней зоне (Бахрах Л.Д. Методы измерений параметров излучающих систем в ближней зоне. - Л.: Наука, 1985. 272 с.).

В настоящее время для этих целей используется способ сфокусированной апертуры, позволяющий измерять амплитудно-фазовое распределение в апертуре обследуемой антенны (Данилов И.Ю., Седельников Ю.Е. Диагностика апертурных распределений антенн путем измерений в зоне ближнего излученного поля. Журнал радиоэлектроники. №1. - 2016. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru/ire/jan16). Измерения осуществляют с использованием антенны-датчика, перемещаемой вдоль контролируемой антенны в зоне ближнего поля.

В качестве датчика обычно используют антенну в виде открытого конца прямоугольного волновод стандартного сечения (Система измерения параметров антенн в ближней зоне АНТА-010180-Б4040. https://all-pribors.ru/opisanie/71654-18-anta-010180-b4040).

Используют также круглый, конический рупор с фланцем с проточками (Можаров Э.О, Михайлов-Овсянников Д.С. Измерительный стенд на основе компактного планарного сканера ближнего электромагнитного поля. Радиостроение №05 20-17 стр. 38-51.

Применяется также пирамидальный рупор (Автоматизированный комплекс для измерений радиотехнических характеристик. Лапин В.В. и др. Патент РФ на полезную модель №105466).

В Патенте РФ №2565352 описана антенна в виде круглого волновода https://findpatent.ru/patent/256/2565352.htr.

Точность определения амплитудно-фазового распределения зависит от характеристик датчика в составе аппаратуры ближнепольных измерений. Поскольку ДН антенны-датчика неизотропна, измерения в различных точках плоскости сканирования происходят при неэквивалентных условиях, что приводит к снижению точности восстановления АФР обследуемой антенны (М.А. Исаков, В.П. Лисинский, Перспективы реконструктивных антенных измерений как основного метода приема-сдаточных испытаний. Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» №3, 2015. Стр. 51-58).

Аналогом заявленной антенны-датчика является антенна в виде отрытого конца прямоугольного волновода. Айзенберг Г.З., В.Г. Ямпольский О.Н. Терешин. Антенны УКВ Т.1. Стр. 240-253.Э Антенна состоит из прямоугольного волновода, один из концов которого выполнен открытым, а к другому концу присоединен фланец, образующий вход антенны.

Недостатком ее является неидентичность диаграммы направленности в плоскостях Е и Н.

Наиболее близким аналогом заявленной антенны-датчика является антенна согласно Патенту РФ №2565352. Антенна содержит отрезок волновода, один конец которого выполнен открытым, а к другому концу присоединен фланец, образующий вход антенны, и экран, в виде кольца диаметром D<2λ, где λ - длина волны, в полости волновода установлен поляризатор в виде диэлектрической пластины, а кромка волновода продолжена за плоскость раскрыва в виде четырех пилообразных выступов.

Основной недостаток антенны - прототипа состоит в том, что диаграмма направленности ее неизотропна в секторе углов соответствующих области измерений ближнего поля типовой аппаратурой.

Задачей изобретения является создание антенны- датчика с равномерной диаграммой направленности линейной поляризации в секторе углов, соответствующих области измерений типовой аппаратурой для антенных измерений в ближней зоне.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение равномерности диаграммы направленности антенны для измерений в ближней зоне в секторе углов, соответствующих области измерений типовой аппаратурой.

Технический результат достигается тем, что антенна для измерений в ближней зоне содержит отрезок волновода, один конец которого выполнен открытым, а к другому концу присоединен фланец, образующий вход антенны, и экран, в виде кольца диаметром D<2λ, где λ - длина волны, перпендикулярно открытому концу волновода установлена пластина, выполненная из материала с отрицательной магнитной проницаемостью.

На Фиг. 1 показана антенна-датчик для измерений в ближнем поле.

Фиг. 2 приведена для объяснения работы устройства

На Фиг. 3 приведены модель для расчетов, объясняющих работу устройства

На Фиг. 4 приведены результаты расчетов, объясняющих работу устройства

На Фиг. 5 показана электродинамическая модель антенны

На Фиг. 6 показаны результаты электродинамического моделирования.

Антенна для антенных измерений в ближнем поле, показанная на Фиг. 1 содержит отрезок волновода 1, имеющего открытый конец 2, фланец 3, экран 4 и пластину из материала с отрицательной магнитной проницаемостью 5.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Электромагнитная энергия, поступающая на вход отрезка волновода 3 излучается его открытым концом 2. Под действием излучения наводятся токи на пластине, помещенной перед открытым концом волновода. Излучение антенны создают: (Фиг. 2) эквивалентные электрические и магнитные токи J₁ в открытом конце волновода и его стенках и токи - на поверхности пластины из материала с отрицательной магнитной проницаемостью J₂.

Результирующее излучение антенны-датчика складывается из излучения токов открытого конца волновода J₁ и поля, токов J₂., наведенных на пластине. Систему «открытый конец волновода + пластина» можно рассматривать как антенную решетку с активным элементом в центре и двух пассивных излучателей, соответствующих излучающим токам, наведенным на экране. На Фиг. 3 представлена данная система.

Для расширения ДН необходимо обеспечить синфазное излучение элементов решетки в направлениях ±θ₀. Для этого фаза возбуждения токов J₂ в пластине 5 должны быть равной

Фаза тока, наведенного центральным излучателем равна Таким образом, для необходимой фазировки необходимо обеспечить дополнительный фазовый сдвиг (замедление), равный

Фаза наведенных токов в пластине определяется фазой возбуждающего поля и фазой характеристического сопротивления среды с отрицательной магнитной проницаемостью

Это означает, что токи, наведенные на экране из материала с отрицательной магнитной проницаемостью, получают дополнительное отставание по фазе на величину

Из соотношения (2) следует, что требуемое значение Δψ обеспечивается, если

На Фиг. 4 приведены расчетные значения

Из приведенных данных расчета следует, что расширение ДН антенны в виде открытого конца волновода с пластиной из материала с отрицательной магнитной проницаемостью возможно при установке ее на расстоянии

длины волны или менее. Таким образом обеспечивается расширение ДН антенны в виде открытого конца волновода с экраном из метаматериала с отрицательной магнитной проницаемостью.

Антенна для измерений в ближней зоне может быть выполнена следующим образом. Волновод 1, фланец 3 и экран 4 изготавливают из электропроводящего металла, например, меди с серебряным или позолоченным покрытием с размерами широкой стенки волновода, выбранными равными (0.5…1) длины волны в воздухе. Пластина 5 из материала с отрицательной магнитной проницаемостью (MNG типа) выполняется в виде диэлектрической пластины с нанесенным на ее поверхности металлическим рисунком в виде разрезных квадратных или круглых колец диаметром не менее λ\π, где λ - длина волны в воздухе. Указанная пластина по электрическим характеристикам соответствует материалу с отрицательной магнитной проницаемостью (И. Слюсар. Метаматериалы в антенной технике. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 7/2009 стр. 72-73).

Для подтверждения технического результата изобретения проведено электродинамическое моделирование заявляемой антенны. Модель антенны приведена на Фиг. 5. На Фиг. 6 представлены расчетные данные.

Разработанная антенна-датчик с использованием метаматериала MNG-типа для измерений в ближней зоне позволяет повысить равномерность диаграммы направленности за счет ее расширения в секторе углов, соответствующих области измерений типовой аппаратурой для антенных измерений в ближней зоне.

Антенна для измерений в ближней зоне, состоящая из прямоугольного отрезка волновода, один конец которого выполнен открытым, а к другому концу присоединен фланец, образующий вход антенны, и экран, в виде кольца диаметром D<2λ, где λ - длина волны, отличающаяся тем, что перпендикулярно открытому концу волновода установлена пластина, выполненная из материала с отрицательной магнитной проницаемостью.

Похожие патенты:

Смарт модуль // 2757647

Использование: изобретение относится к области технологии связи. Сущность: антенный блок выполнен в виде вертикальной стойки с центральным каналом, на торцах которой закреплены фланцы.

Диаграммообразующее устройство // 2757538

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для создания антенной решетки с веерной диаграммой направленности и максимумами, ориентированными под углами к оси решетки. Диаграммообразующее устройство содержит четыре излучателя с нумерацией слева направо, четыре 3-децибельных ответвителя, каждый из которых имеет входное, развязанное, гальваническое и связанное плечи, причем ответвители одинаково ориентированы в компоновочном пространстве и сгруппированы парами в верхнем и нижнем рядах структуры, при этом связанные плечи ответвителей верхнего ряда соединены с первым и вторым излучателями, а гальванические плечи этих ответвителей соединены с третьим и четвертым излучателями соответственно, в устройство введены идентичные двуплечие вытянутые проводники П-образной формы и одинаковые узкие вытянутые замкнутые кольцевые проводники, электромагнитно связанные с проводниками П-образной формы по всей их длине.

Плоская антенна приема радиосигнала l-диапазона круговой поляризации // 2757534

Изобретение относится к антенной технике, в частности к фазированным антенным решеткам для приема сигнала круговой поляризации. Техническим результатом является создание антенной решетки с высоким качеством приема сигнала круговой поляризации.

Схема ускоренного захвата спутников // 2756402

Изобретение относится к спутниковым сетям связи. Техническим результатом является обеспечение возможности первоначального приема сигналов от множества спутников в расширенной зоне покрытия для выбора подходящего спутника.

Способ формирования диаграммы направленности и антенная решетка для его осуществления // 2754653

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антенным решеткам, предназначенным для пространственного разделения каналов в сети беспроводной связи, и способу формирования диаграммы направленности. Способ формирования диаграммы направленности антенной решетки заключается в том, что для определения общего числа излучающих антенных элементов проводят предварительное моделирование, по которому определяют требуемое общее число излучателей, формируют антенные подрешетки, выбирают тип излучающих элементов для каждой из антенных подрешеток в зависимости от требований к материалу и размерам антенной решетки, к рабочей полосе частот, согласованию с питающей линией, к направленности, поляризации, углу и плоскости сканирования, оптимизируют размер излучателя, расположение выбранных излучающих элементов антенной решетки как единой антенной решетки в зависимости от требуемой направленности, усиления, уровня боковых лепестков, поляризации, угла и плоскости сканирования, исходя из требований к зоне покрытия и характеристик излучения и угла сканирования, определяют и оптимизируют весовые коэффициенты распределения фазы и амплитуды каждого излучающего элемента каждой антенной подрешетки в зависимости от выбранного типа излучателя и его места в антенной решетке, динамическое сканирование в антенной решетке, полученной с применением данного моделирования, осуществляют путем изменения амплитуды и фазы по меньшей мере в одном приемопередающем тракте на величину, которая либо определяется на этапе определения весовых коэффициентов, либо обусловлена возможностями имеющегося оборудования.

Комбинированная адаптивная антенная решетка // 2750858

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для обеспечения электромагнитной совместимости навигационной аппаратуры потребителя глобальной навигационной спутниковой системы (НАП ГНСС) и средств создания преднамеренных радиопомех, работающих на совпадающих частотах. Техническим результатом является повышение отношения сигнал/помеха на выходе адаптивной антенной решетки.

Способ компенсации помеховых сигналов в комбинированной адаптированной антенной решетке // 2747377

Способ минимизации управляющих токов фазовращателей системы управления фар // 2745363

Изобретение относится к антенной технике, в частности к фазированным антенным решеткам, и может быть использовано для минимизации токов в коммутируемых фазовращателях антенной решетки. Техническим результатом изобретения является значительное уменьшение управляющего тока в фазовращателях схемы управления ФАР.

Частотно-независимая активная многолучевая антенная решетка // 2744567

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антенным решеткам СВЧ диапазона, и может использоваться в качестве передающей или приемной многолучевой антенны для широкополосных средств радиолокации, радиомониторинга и связи. Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение формирования частотно-независимых ДН парциальных лучей при равноамплитудном возбуждении излучателей и расширение полосы рабочих частот активных линейных многолучевых антенных решеток (MAP).

Комбинированная адаптивная антенная решетка // 2744030

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах навигации при приеме навигационных сигналов навигационной аппаратурой потребителя глобальной навигационной спутниковой системы (НАП ГНСС) в условиях воздействия преднамеренных помех. Сущность заявленного решения заключается в использовании в антенной решетке двух типов антенных элементов с разным конструктивным исполнением и характеристиками направленности, обеспечивающими пространственную дифференциацию полезного сигнала и помехового сигнала.

Способ обработки радиолокационных сигналов в импульсно-доплеровской радиолокационной станции с активной фазированной антенной решеткой // 2760409

Изобретение относится к области радиолокации, конкретно к обработке радиолокационного сигнала в импульсно-доплеровских радиолокационных станциях (РЛС), и может быть использовано в системах обработки первичной радиолокационной информации импульсно-доплеровских РЛС различного назначения. Техническим результатом изобретения является обеспечение перераспределения мощности передатчика: уменьшение среднего энергетического потенциала активной фазированной антенной решетки (АФАР) в течение излучения пачки зондирующих импульсов при сохранении характеристик принятого для обработки сигнала либо уменьшение потерь на обработку сигнала при сохранении среднего энергетического потенциала АФАР. В заявленном способе в режиме передачи используют АФАР с каналами, включаемыми и отключаемыми посредством электронных ключей. Перед излучением пачки N зондирующих импульсов производят выбор оконной функции, обеспечивающей когерентное накопление энергии принятых сигналов. Для каждого зондирующего импульса в пачке оценивают значение энергетического потенциала АФАР, при котором амплитуда сигнала на входе АФАР в режиме приема будет пропорциональна соответствующему значению выбранной оконной функции. Для каждого зондирующего импульса в пачке устанавливают состояния электронных ключей АФАР в режиме передачи, при которых будет достигаться соответствующее значение энергетического потенциала АФАР при постоянном положении фазового центра включенных каналов. Далее излучают пачку N когерентных зондирующих импульсов с периодом следования Т. В промежутках между излучениями пачки зондирующих импульсов принимают сигналы, отраженные от объектов в зондируемой области пространства, всеми каналами АФАР в режиме приема. Усиливают принятые сигналы каналов и переносят их на промежуточную частоту с формированием квадратурных составляющих. Выполняют дискретизацию квадратурных составляющих сигналов каналов, записывают N последовательностей квадратурных составляющих сигналов каналов по Nt отсчетам. Складывают соответствующие отсчеты N последовательностей квадратурных составляющих сигналов всех каналов АФАР с одинаковыми весами, выполняют согласованную фильтрацию суммарной последовательности из Nt отсчетов, обнаруживают объекты с определением дальности и радиальной скорости. 7 ил., 2 табл.