Фазированная антенная решетка

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике и может быть использовано в качестве широкополосной антенной системы с управляемой диаграммой направленности при обеспечении радиосвязи ионосферными волнами в КВ и УКВ диапазонах. Цель изобретения - разработка антенной системы, обеспечивающей при одном типоразмере работу широкодиапазонных передатчиков, требующих высокого качества согласования с антенной. Фазированная антенная решетка (ФАР) состоит из идентичных плоских элементов, каждый из которых образован парой ортогональных компланарных вибраторов длиной L с треугольными плечами 1 (величина L равна минимальной длине волны в рабочем диапазоне). Центральный элемент и связанные с ним посредством к.з. проводников 2 периферийные элементы составляют ортогональную пару вибраторов НЧ диапазона. Все периферийные элементы, в том числе и входящие в состав НЧ вибратора, образуют ФАР ВЧ диапазона. Возбуждение антенной системы раздельное для горизонтальных (г-г') и (в-в') вибраторов, но возможно и совместное в целях реализации кругополяризованного излучения. ФАР обеспечивает работу в 40-кратном диапазоне при уровне КБВ не менее 0,5. 6 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике и, в частности, может быть использовано в качестве приемо-передающей подземной или стелющейся антенной системы для работы ионосферными волнами в КВ и УКВ диапазонах.

Известные подземные и приземные антенны КВ и УКВ диапазонов (Сосунов Б. В. Филиппов В.В. Основы расчета подземных антенн. Л. ВАС, 1990). Многосекционные подземные антенны-аналоги выполнены в виде группы параллельных синфазных изолированных вибраторов. Для повышения коэффициента усиления используется несколько таких групп, размещаемых одна за другой и фазируемых соответствующим образом.

Недостатками известных аналогов является узкий диапазон рабочих частот по согласованию из-за резких изменений входного сопротивления, ограниченный сектор сканирования луча, а также большие габариты. Для обеспечения работы в требуемом диапазоне и заданных направлениях необходимо иметь несколько типоразмеров.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявляемой фазированной антенной решетке (ФАР) является известная ФАР СГДП 3,6/4 РА (Айзенберг Г.З. и др. Коротковолновые антенны. М. Радио и связь, 1985, с. 271-274, рис. 13.11. ). Антенна-прототип состоит из группы плоских элементов (ПЭ), выполненных из металлических проводников. Каждый ПЭ представляет собой излучатель в виде симметричного вибратора из двух треугольных плеч, внешние концы которых соединены к. з. проводниками. Все элементы объединены общим фидерным трактом и образуют синфазную или фазируемую (в случае включения в фидерный тракт фазирующих устройств) решетку. Элементы расположены компланарно в пределах прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР и подвешены вертикально на мачтах ФАР, благодаря применению элементов, состоящих из излучателей с треугольными плечами, имеет широкий диапазон рабочих частот и лучше согласование.

Однако прототип обладает недостатками. Коэффициент перекрытия рабочего диапазона (отношение максимальной рабочей частоты к минимальной) антенной решетки СГДП 3,6/4 РА равный 2,14, значительно меньше значения данного параметра у современных передатчиков и не позволяет обходиться одним типоразмером при обеспечении связи на различные расстояния. Сектор управления диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости, равный 60^o, ограничивает возможности данной антенны при работе в радиосети. Кроме того, антенна обладает большими габаритам и низкой защищенностью, а также не обеспечивает работу независимо с вертикальной и горизонтальной поляризацией или кругополяризованной волной.

Задача изобретения создание широкополосной ФАР, предназначенной для использования в качестве приземной или подземной антенны КВ и УКВ диапазонов, обеспечивающей управление ДН во всем верхнем полупространстве при снижении размеров излучающей поверхности.

Поставленная задача достигается тем, что в известной ФАР, содержащей группу ПЭ, каждый из которых включает пару треугольных излучателей, установленных компланарно в пределах прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР, и подключенных к фидерному тракту, в каждый ПЭ введена дополнительная пара идентичных излучателей, установленных компланарно и ортогонально первой. Все ПЭ расположены горизонтально в пределах полупроводящей среды или на ее поверхности. Внешние концы треугольных излучателей, принадлежащих к примыкающим друг к другу ПЭ, электрически соединены. Внешние концы треугольных излучателей, принадлежащих периферийным ПЭ, соединены по периметру апертуры ФАР дополнительными к.з. проводниками. Внешние концы треугольных излучателей, примыкающие с двух сторон к большим диагоналям ФАР, электрически развязаны, а внешние концы остальных треугольных излучателей соединены короткозамкнутыми проводниками. Фидерный тракт НЧ канала подключен к вершинам треугольных излучателей ПЭ, расположенного в центре ФАР. Вершины треугольных излучателей остальных ПЭ подключены к фидерному тракту ВЧ канала. Ортогональные излучатели в каждом ПЭ запитаны независимо, т.е. могут возбуждать либо каждый в отдельности с линейной поляризацией, либо со сдвигом 90^o, чем достигается кругополяризованное излучение. При такой схеме ФАР реализуется двукратное использование одних и тех же элементов для работы как в НЧ так и в ВЧ диапазонах (с коэффициентом перекрытия 5,33 и 7,5 соответственно) с согласованием на уровне КБВ не менее 0,5. В целом предлагаемая ФАР работает в диапазоне с 40-кратным перекрытием. При этом на резонансной частоте площадь ее излучающей поверхности в 1,6 раза меньше, чем у прототипа.

На фиг. 1 показан общий вид ФАР; на фиг. 2 плоский элемент; на фиг. 3 четырех- и трехшунтовой ПЭ; на фиг. 4 фидерная система; на фиг. 5, 6 - результаты экспериментальных исследований.

ФАР, показанная на фиг. 1, состоит из N (для примера принято N 9) идентичных ПЭ. Вариант исполнения ПЭ изображен на фиг. 2. Каждый ПЭ образован ортогональной парой плоских вибраторов г-г' и в-в' длиной 2L₁ с плечами в виде равносторонних треугольников 1. Примыкающие концы треугольных излучателей соседних ПЭ, соединены электрически (линии m-m'). Периферийные концы треугольных излучателей ПЭ соединены к.з. проводниками 2 (фиг.3), за исключением треугольных излучателей, примыкающих с двух сторон к большим диагоналям c-c' и p-p', т.е. эти излучатели электрически развязаны (фиг.3). При таком условии центральный ПЭ к.з. проводников не м не менее (фиг. 2). Концы треугольных излучателей в-в' и г-г', размещенные на внешних краях ФАР, соединены дополнительно проводниками 3 (при этом каждый проводник 3 совместно с двумя проводниками образует замкнутый контур, который может быть заполнен дополнительными проводниками или заменен сплошной металлической пластиной такой же формы).

Каждый ПЭ имеет поперечные и продольные размеры 2L=λ_min (где λ_min - минимальная длина волны в рабочем диапазоне), а в целом ФАР представляет собой квадрат со стороной .

Фидерная система ФАР, показанная на фиг. 4, состоит из двух идентичных групп, питающих горизонтальные г-г' и вертикальные в-в' излучатели ПЭ. На фиг. 1 показана фидерная группа горизонтальных излучателей. Она включает фидер 4 НЧ вибратора и (N-1) фидеров 5 ВЧ вибраторов. Экранные оболочки 6 фидеров 4, 5 электрически соединены с вершинами левых треугольных излучателей горизонтальных вибраторов, а центральные проводники 7 этих фидеров таким же образом подключены к правым треугольным излучателям. Фидер 4 НЧ элемента подключен непосредственно к передатчику (приемнику). Фидеры 5 ВЧ элементов для обеспечения фазирования антенной решетки и сопряжения с выходом передатчика подключены через управляемые линии задержки (УЛЗ) 8 и делитель мощности 9 (при работе на прием устройство сопряжения 1:8).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При подаче напряжения возбуждения по фидеру 4 к точкам г-г' (для вертикального вибратора в-в') ток от указанных точек течет по плечам ромбической формы, образованным соединенными между собой треугольными излучателями 1 центрального и боковых ПЭ, а также от точек Е и Е' через проводники 2 к точкам Н и Н' ортогональных треугольных излучателей периферийных ПЭ, далее по ним в поперечном направлении к точкам К и К', от каждой из которых по парам расположенных на внешней стороне ФАР проводников 2 (или заменяющим их пластинам).

Для работы ФАР ВЧ диапазона мощность передатчика в делителе 9 делится на 8 идентичных каналов, в каждом из которых с помощью УЛЗ 8 создается требуемый сдвиг фаз, и далее по фидерам 5 осуществляется возбуждение ПЭ. При подаче напряжения возбуждения к входу одного из вибраторов (горизонтального иди вертикального) каждого ПЭ, другой вибратор совместно с проводниками образует к.з. перемычку, соединяющую концы возбуждаемого излучателя, чем достигается улучшение согласования в нижней части диапазона.

Экспериментальные исследования предлагаемой ФАР проводились на макете, предназначенном для работы в диапазоне 1,5-60 МГц, изготовленном из листовой стали толщиной 2 мм. Размеры макета 15 х 15 м², почва сухая (δ=5, ε=0,001 См/м). Фидерная система ВЧ ФАР была выполнена из коаксиальных кабелей РК-75-9-12 длиной (140-0,1) м, возбуждение НЧ элементов осуществлялось по кабелям РК-75-17-12 длиной (120 -0,1) м. Диаграммообразующая схема включала трансформаторный делитель мощности 1:8 и 8-канальную 4-разрядную управляемую линию задержки, образованную отрезками коаксиального кабеля с фторопластовой изоляцией длиной 0,66 м, 1,32 м, 2,64 м и 5,28 м. В качестве передающего устройства использовалось изделие "Факел-Н1" (диапазон рабочих частот 1,5-60 МГц, мощность до 4 кВт). В ходе исследований измерялись входные сопротивления НЧ элементов, ВЧ элементов по отдельности и в составе ФАР, по которым рассчитывались значения КБВ, а такие динамические диаграммы направленности на различных частотах.

Значения КБВ, НЧ элемента, отдельного ВЧ элемента и ФАР в целом, показанные на фиг.5, подтверждают высокое качество согласования во всем рабочем диапазоне. Динамические диаграммы направленности ФАР в нижней, средней и верхней частях диапазона приведены на фиг.6 (графики а, б, в соответственно). Сплошной линией изображены расчетные ДН, крестиками - результаты измерений. Видно, что во всем диапазоне ФАР обеспечивает формирование максимума излучения в заданном направлении.

Формула изобретения

Фазированная антенная решетка, содержащая группу плоских элементов, каждый из которых включает пару треугольных излучателей, установленных компланарно в пределах прямоугольника, ограничивающего апертуру фазированной антенной решетки, и подключенных к фидерному тракту, отличающаяся тем, что плоские элементы расположены горизонтально в пределах полупроводящей среды или на ее поверхности, в каждый плоский элемент введена вторая пара идентичных излучателей, установленная компланарно и ортогонально первой, внешние концы треугольных излучателей, принадлежащих примыкающим друг к другу плоским элементам, электрически соединены, а внешние концы треугольных излучателей, принадлежащих периферийным плоским элементам, соединены по периметру апертуры фазированной антенной решетки дополнительными короткозамыкающими проводниками, причем внешние концы треугольных излучателей, примыкающие с двух сторон к большим диагоналям фазированной антенной решетки, электрически развязаны, а внешние концы остальных треугольных излучателей соединены короткозамыкающими проводниками, при этом фидерный тракт низкочастотного канала подключен к вершинам треугольных излучателей плоского элемента, расположенного в центре фазированной антенной решетки, а вершины треугольных излучателей остальных плоских элементов подключены к фидерному тракту высокочастотного канала, причем ортогональные треугольные излучатели в каждом плоском элементе запитаны независимо.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6