Фазированная антенная решетка

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве подземной или стелющейся приемо-передающей антенны КВ и УКВ-диапазонов. Цель изобретения - построение широкодиапазонной ФАР, обеспечивающей работу с произвольной поляризацией в диапазоне КВ и УКВ. ФАР выполнена в виде совокупности прямоугольных моделей (ПМ), соединенных проводниками и установленных по периметру прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР. Фидер первого поддиапазона с помощью проводников 4 подключен в центре ФАР к двум парам ПМ2 в соответствующих точках. Фидеры второго и третьего поддиапазонов подключены соответственно в центрах каждого ПМ и в центрах плоских антенных элементов, образующих каждый ПМ. Обеспечивается трехкратное использование аппаратуры ФАР, чем достигается широкодиапазонная работа антенны при относительно малой занимаемой площади, что является техническим результатом. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике и, в частности может быть использовано в качестве приемопередающей подземной или стелющейся антенной системы для работы ионосферными волнами в коротковолновом (КВ) или ультракоротковолновом (УКВ) диапазонах.

Известны подземные антенны (ПА) КБ и УКВ-диапазонов (Сосунов Б.В., Филиппов В-В. Основы расчета подземных антенн. - Л.: ВАС, 1990). Известные аналоги выполнены в виде группы параллельных синфазных изолированных вибраторов. Для повышения коэффициента усиления (КУ) используют несколько таких групп, размещаемых и фазируемых определенным образом.

Недостатком известных аналогов является небольшой рабочий диапазон частот по согласованию из-за резких изменений входного импеданса в диапазоне частот. Кроме того, приемлемая величина КУ достигается только за счет наращивания количества вибраторов, что приводит к большим площадям антенны, и удорожает ее строительство.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная фазированная антенная решетка (ФАР) (Айзенберг Г.З. и др. Коротковолновые антенный - М: Радио и связь, 1985, с. 271-274, рис. 13.11). Антенна-прототип состоит из группы плоских антенных элементов (ПАЭ), выполненных из металлических проводников. Каждый ПАЭ представляет собой излучатель в виде симметричного вибратора из двух треугольных плеч, внешние концы которых соединены короткозамыкающими (к.з.) проводниками. Все ПАЭ объединены общим фидерным трактом и образуют синфазную или фазируемую (в случае включения в фидерный тракт фазирующих устройств) решетку. ПАЭ расположены компланарно в пределах прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР, и подвешены вертикально на мачтах. Такая ФАР, благодаря применению элементов, состоящих из излучателей с треугольными плечами, имеет больший диапазон частот по согласованию.

Однако у антенны-прототипа есть недостатки - небольшой коэффициент перекрытия рабочего диапазона (отношение максимальной рабочей частоты к минимальной), который не превышает 2,14. Использование такой антенны с современными широкодиапазонными передатчиками потребует использования нескольких типоразмеров антенны. Кроме того, известная антенна обладает большими габаритами, не обеспечивает независимую работу с вертикальной, горизонтальной или кругополяризованной волнами.

Цель изобретения - разработка широкодиапазонной ФАР, предназначенной для использования в качестве стелющейся или подземной антенны КБ и УКВ-диапазонов при одновременном уменьшении занимаемой ею площади и возможности работы с горизонтальной, вертикальной или вращающейся поляризациями волн.

Поставленная цель достигается тем, что в известной ФАР, содержащей ПАЭ, установленные компланарно в пределах прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР, и подключенных к фидерному тракту первого поддиапазона, ПАЭ расположены горизонтально в пределах полупроводящей среды или на ее поверхности. ПАЭ объединены в прямоугольные модули (ПМ), которые подключены к ортогональным каналам фидерных трактов второго и третьего поддиапазонов. ПМ установлены по периметру прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР, на его диагоналях и осях симметрии, проходящих через середины его сторон. Внешние стороны ПМ (т.е. стороны, обращенные от центра ФАР) соединены друг с другом дополнительными проводниками и совмещены со сторонами прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР. Обращенные к центру ФАР стороны ПМ, установленных на осях симметрии, подключены отрезками проводников к соответствующему ортогональному каналу фидерного тракта первого поддиапазона. Причем пары ПМ, подключенные к ортогональным каналам фидерного тракта первого поддиапазона, запитаны независимо.

Все ПМ идентичны и состоят из ПАЗ. Каждый ПАЭ выполнен в виде двух ортогональных пар треугольных излучателей (ТИ). Внешние концы ТИ, принадлежащих примыкающим друг к другу ПАЭ, электрически соединены. Внешние концы ТИ, принадлежащих периферийным ПАЭ, соединены по периметру ПМ дополнительными к. з. -проводниками. Внешние концы ТИ, примыкающие с двух сторон к диагоналям ПМ, электрически развязаны. Внешние концы остальных ТИ соединены к.з.-проводниками. Ортогональные каналы фидерного тракта второго поддиапазона подключены к вершинам соответствующих пар ТИ ПАЭ, расположенного в центре каждого ПМ. Вершины ТИ остальных ПАЭ подключены попарно к ортогональным каналам фидерного тракта третьего поддиапазона. ТИ, подключенные к ортогональным каналам фидерных трактов, запитаны независимо.

Отрезки проводников, с помощью которых ПМ, установленные на осях симметрии ФАР, подключены к фидерному тракту первого поддиапазона и соединены со сторонами в углах ПМ.

Формы ПМ и прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР, подобны, а коэффициент подобия выбран в пределах 3,5 - 4,0.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает, благодаря формированию в пределах общей апертуры ФАР излучателей трех типоразмеров, существенное расширение диапазона рабочих частот без увеличения общей площади ФАР.

Анализ известных решений по источникам технической и патентной литературы показал, что в них отсутствуют технические решения, содержащие совокупность существенных признаков заявленного устройства, что указывает на его соответствие условию патентоспособности "новизна".

Также в известных источниках информации не обнаружены отличительные признаки заявленного устройства, обеспечивающие достижение технического результата, который достигнут заявленным устройством, что указывает на его соответствие условию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показана ФАР, общий вид; на фиг. 2 - вариант схемы прямоугольного модуля (ПМ); на фиг. 3 - 6 - рисунки, поясняющие структурные элементы общей схемы ФАР; на фиг. 7 - вариант схемы фидерного тракта; на фиг. 8 и 9 - рисунки, поясняющие принцип работы ФАР; на фиг. 10 - результаты экспериментальных измерений качества согласования (КБВ).

Фазированная антенная решетка, показанная на фиг. 1, состоит из плоских антенных элементов (ПАЭ) 1, объединенных в прямоугольные модули (ПМ) 2, со сторонами L_M. ПМ 2 установлены в пределах прямоугольника со сторонами L_p, ограничивающего апертуру ФАР. Формы ПМ 2 и прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР, подобны. Коэффициент подобия, т.е. отношение L_p/L_m, выбран в пределах 3,5 - 4,0, ПМ 2 установлены таким образом, что их внешние (по отношению к центру апертуры ФАР) стороны совмещены со сторонами прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР.

Причем по два ПМ установлены симметрично на осях симметрии, проходящих через середины сторон прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР (оси А-А' и Б-Б'), и по два - на диагоналях С-С' и К-К'). ПМ 2, установленные на диагоналях С-С' и К-К', совмещены с ними своими диагоналями (с-с' и к-к'). Внешние стороны ПМ 2 соединены друг с другом дополнительными проводниками 3. ПМ 2, установленные на осях А-А' и Б-Б' с помощью отрезков проводников 4 подключены к ортогональным каналам (точки а₁-а₁ и б₁-б₁) фидерного тракта первого поддиапазона. Проводники 4 подключены к обращенным к центру апертуры ФАР сторонам ПМ 2 в углах прямоугольника, ограничивающего соответствующий ПМ 2 (точки р-р). Сектор между проводниками 4 может быть дополнен еще проводниками или заменен сплошной металлической поверхностью. Все ПМ идентичны. Принципиально структура ПМ 2 может быть различной. Один из возможных вариантов построения схемы ПМ 2 показан на фиг.2. ПМ 2, ограниченный прямоугольником (на фиг. 2 квадрат) со сторонами L_m состоит из совокупности ПАЭ 1 (на фиг. 2 ПМ включает девять ПАЭ). Каждый ПАЗ 1 (также и фиг. 3) выполнен из двух ортогональных пар треугольных излучателей (ТИ) 5 длиной l_t и углом при вершине (вершины обозначены индексами а₃-а₃, б₃-б₃). Примыкающие друг к друг внешние концы ТИ 5 электрически соединены (на фиг. 2 линия соединения обозначена в-в). Внешние концы ТИ, принадлежащие периферийным ПАЭ 1, соединены по периметру ПМ 2 дополнительными к.з.-проводниками 6. Внешние концы ТИ 5, примыкающие с двух сторон к диагоналям (с-с' и к-к') ПМ 2, электрически развязаны, а внешние концы остальных ТИ 5 соединены к.з.-проводниками 7. Ортогональные каналы фидерного тракта второго поддиапазона подключены к вершинам ТИ 5 ПАЗ 1, расположенного в центре ПМ 2, соответственно в точках а₂-а₂ и б₂-б₂. Ортогональные каналы фидерного тракта третьего поддиапазона подключены соответственно в точках а₃-а₃ и б₃-б₃ к ТИ 5 остальных ПАЭ 1.

Тракт питания ТИ 5 по каждому из ортогональных каналов ФАР может быть реализован по схеме, показанной на фиг. 7. Выход передатчика в первом поддиапазоне с помощью коаксиального фидера 8 подключен непосредственно к проводникам 4 в центре апертуры ФАР. На фиг. 1 показано подключение фидера 8 к горизонтальным излучателям (точки б₁-б₁). Фидер подключен экранной оболочкой к вершине одного ТИ, а центральным проводником - к вершине другого ТИ, составляющих симметричный вибратор соответствующей поляризации (также фиг. 6).

Выход передатчика во втором поддиапазоне подключен к входу делителя мощности 9, имеющего выходы по числу излучателей второго поддиапазона, т. е. по числу ПМ 2. В примере на фиг. 1 таких излучателей восемь. Выходы делителя мощности подключены к блоку фазовращателей 10, выходы которого с помощью фидеров 11 подключены к излучателям второго поддиапазона, т.е. подключены к ТИ 5 в центрах каждого ПМ 5 (точки б₂-б₂ на фиг. 2).

Аналогично выход передатчика в третьем поддиапазоне через делитель мощности 12 и блок фазовращателей 13 с помощью коаксиальных фидеров 14 подключены к ТИ 5 всех остальных ПАЭ 1 (в точках б₃-б₃). Число фидеров 14 равно числу излучателей третьего поддиапазона. В рассматриваемом примере в каждом ПМ 5 таких излучателей восемь. Следовательно, общее число излучателей третьего поддиапазона 88 = 64.

Схема фидерного тракта для питания вертикальных излучателей (в точках а₁-а₁, а₂-а₂ и а₃-а₃ соответственно первого, второго и третьего поддиапазонов) аналогична рассмотренной схеме тракта для горизонтальных излучателей.

На фиг. 1 подключение фидера первого поддиапазона к вертикальному излучателю не показано. На фиг. 2 вертикальные излучатели второго и третьего поддиапазонов подключены соответственно коаксиальными фидерами 11' и 14'.

Сторона прямоугольника L_p, ограничивающего апертуру ФАР, выбирается из условия L_p = ¹_min, где ¹_min - минимальная длина волны первого поддиапазона.

Делители мощности 9 и 12 могут быть реализованы по известным бинарным схемам с включением трансформаторов на отрезках фидера.

Принципы расчета таких делителей мощности известны и описаны (Наденко С. И. Антенны. - М.: 1959, с. 489; Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишутин Б.А. Устройства СВЧ. - М.: 1981, с. 45).

Фазовращатели 10 и 13 могут быть выполнены на коммутируемых отрезках коаксиального кабеля.

Заявленная фазированная антенная решетка работает следующим образом.

С целью более ясного пояснения работы ниже рассматриваются процессы, относящиеся к возбуждению горизонтальных излучателей, т.е. возбуждению ФАР в точках б₁-б₁, б₂-б₂ и б₃-б₃. Все разъяснения справедливы и для возбуждения вертикальных излучателей, т. е. при питании ФАР в точках а₁-а₁, а₂-а₂ и а₃-а₃. При подаче возбуждающего напряжения по фидеру 8 первого поддиапазона к центру ФАР (к точкам б₁-б₁ на фиг. 1) высокочастотные (в. ч.) токи протекают по симметричному вибратору, образованному ПМ 2, лежащими на оси Б-Б', и подключенными к их внутренним сторонам проводниками 4. Остальные ПМ 2, объединенные друг с другом проводниками 3, выполняют роль распределенного шунта (фиг. 8), чем достигается диапазонная работа излучателя с коэффициентом перекрытия по частоте не менее 4.

При работе передатчика на частотах второго поддиапазона его выходная мощность делится на восемь в делителе мощности 9 и через блок фазовращателей 10, задающий требуемое фазирование, подается на восемь излучателей, образованных каждым ПМ 2. Фидеры 11 подключены в точках б₂-б₂ в центрах каждого ПМ 2. При этом в каждом ПМ 2 формируется симметричный шунтовой вибратор (фиг. 9), т.е. общее число вибраторов во втором поддиапазоне - восемь.

При работе передатчика на частотах третьего поддиапазона его выходная мощность в делителе 12 делится на число излучателей (в рассматриваемом примере таких излучателей по 8 шт. в каждом ПМ 2, т.е. 88 = 64). С выхода блока фазовращателей 13 фидеры 14 подключаются в точках б₃-б₃ в центрах каждого ПАЭ 1. ПАЭ 1, расположенные на осях симметрии ПМ 2, имеют вид, показанный на фиг. 4, а расположенные на диагоналях ПМ 2 (с-с' и к-к') показаны на фиг. 5.

Все излучатели третьего поддиапазона также представляют собой симметричные шунтовые вибраторы.

Таким образом, общая апертура ФАР, ограниченная прямоугольником со стороной L_p, используется трехкратно для работы в трех поддиапазонах. Этим обеспечиваются существенное расширение общего диапазона рабочих частот, высокий уровень согласования (коэффициент бегущей волны - КБВ) и коэффициент усиления (КУ).

Проверка качества согласования проведена на опытном образце ФАР, предназначенной для работы в диапазоне 1,5 - 60 мГц (первый поддиапазон 1,5 - 6,0 мГц; второй - 2,5 - 10,0 мГц; третий 10 - 60 мГц). Размеры элементов ФАР составили: L_p = 50 м; L_m = 14 м; L_t = 2,32 м.

Экспериментальные измерения качества согласования, показанные на фиг. 10, подтверждают высокую эффективность заявленной антенны.

В диапазоне частот с практически сорокократным перекрытием по частоте при КБВ > 0,4, это является приемлемым для работы с современными широкодиапазонными передатчиками.

Формула изобретения

1. Фазированная антенная решетка, содержащая плоские антенные элементы, установленные компланарно и горизонтально в полупроводящей среде или на ее поверхности и подключенные к независимым ортогональным каналам фидерных трактов соответствующих поддиапазонов, отличающаяся тем, что плоские антенные элементы объединены в прямоугольные модули, установленные по периметру прямоугольника, ограничивающего апертуру фазированной антенной решетки, на его диагоналях и осях симметрии, проходящих через середины его сторон, причем внешние стороны прямоугольных модулей соединены друг с другом дополнительными проводниками и совмещены со сторонами прямоугольника, ограничивающего апертуру фазированной антенной решетки, стороны пар прямоугольных модулей, установленных на осях симметрии, обращенные к центру апертуры фазированной антенной решетки, подключены отрезками проводников к соответствующему независимому ортогональному каналу фидерного тракта первого поддиапазона, а каждый прямоугольный модуль подключен к независимым ортогональным каналам фидерных трактов второго и третьего поддиапазонов.

2. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что в каждом прямоугольном модуле плоские антенные элементы выполнены в виде двух ортогональных пар треугольных излучателей, внешние концы треугольных излучателей, принадлежащих друг к другу плоским антенным элементам, электрически соединены, а внешние концы треугольных излучателей, принадлежащих периферийным плоским антенным элементам, соединены по периметру прямоугольного модуля дополнительными короткозамыкающими проводниками, причем внешние концы треугольных излучателей, примыкающие с двух сторон к диагоналям прямоугольного модуля, электрически развязаны, а внешние концы остальных треугольных излучателей соединены короткозамыкающими проводниками, при этом независимые ортогональные каналы фидерного тракта второго поддиапазона подключены к вершинам соответствующих пар треугольных излучателей плоского антенного элемента, расположенного в центре прямоугольного модуля, а вершины треугольных излучателей остальных плоских антенных элементов подключены попарно к независимым ортогональным каналам фидерного тракта третьего поддиапазона.

3. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что отрезки проводников, которыми стороны прямоугольных модулей подключены к фидерному тракту первого поддиапазона, соединены со сторонами в углах прямоугольных модулей.

4. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что формы прямоугольника, ограничивающего апертуру фазированной антенной решетки, и прямоугольного модуля подобны, а коэффициент их подобия выбран в пределах 3,5 - 4.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10