Активная приемопередающая антенна

 

Изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано в устройствах передачи и приема электромагнитных сигналов в доплеровских радиолокаторах. Техническим результатом является упрощение устройства и увеличение дальности действия. Излучатель сделан прямоугольным полосковым, точки запитки антенны передатчиком и приемником расположены на расстоянии соответственно λ/4 и λ/6, где λ - длина волны в диэлектрике, по направлению от центра излучателя перпендикулярно его широкой стороне, а в базу транзистора передатчика включен разомкнутый на конце отрезок линии, для определения длины которого приведена математическая формула. Геометрический центр излучателя соединен с экраном, а коллектор транзистора передатчика присоединен к излучателю. 1 ил.

Изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано в устройствах передачи и приема электромагнитных сигналов в доплеровских радиолокаторах.

Известна активная антенна, описанная в пат.Франции N2368151 от 15.10.76 г., H 01 P 7/06, в которой объединены генератор на твердотельном приборе типа диода с отрицательным сопротивлением, резонатор генератора и направленная антенна, связанная с этим резонатором и выполненная в виде щели или щелей в его стенке. Диод включен между верхней и нижней стенками резонатора, изолированными по постоянному току, и возбуждает резонатор при помощи индуктивной петли связи.

Устройство сложно в настройке и по конструкции из-за использования щелей и индуктивной петли связи. Дальность действия подобной антенны в режиме приема - автодином - невелика в связи с неоптимальным включением диода в антенну на прием и большими собственными шумами диода с отрицательным сопротивлением.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является резонаторно-щелевая активная приемопередающая антенна с Т-образным возбудителем, описанная в кн.: Активные передающие антенны. Под. ред.В.В.Должикова и Б. Г.Цыбаева, с.122, рис.7.2. Это устройство состоит из приемного и передающего каналов с активными приборами, встроенными внутри горизонтальной части Т-образного возбудителя. Коаксиальные или полосковые линии передачи соединяют активные приборы с точками A и B, которые размещены у основания вертикальной части возбудителя. Внутренний объем возбудителя разделен экраном на две части. Конструкция подобного устройства сложна, затруднен доступ к активным приборам приемного и передающего каналов при их настройке на оптимальные режимы приема и передачи и динамическом режиме, место подключения активных приборов в точках A и B излучателя выбрано из условия максимальной развязки между каналами, а не из условия минимального шума приемного канала и максимальной излучаемой мощности. В связи с чем дальность действия устройства, например, в режиме приема доплеровских сигналов невелика.

Задача, на которую направлено данное изобретение, заключается в упрощении устройства и увеличении дальности действия.

Поставленная задача решается тем, что излучатель сделан прямоугольным полосковым, точка A размещена на расстоянии примерно равном λ_в/4, где λ_в - длина волны в диэлектрике, по направлению от центра излучателя перпендикулярно его широкой стороне, точка B размещена на расстоянии примерно равном λ_в/6 по направлению от центра излучателя, противоположном точке A и перпендикулярно его широкой стороне, а в базу транзистора - передающего активного прибора включен разомкнутый на конце отрезок линии длиной где Z_o - волновое сопротивление отрезка линии; Im(Z_k - мнимая часть импеданса коллектор - база транзистора.

Структурная схема заявляемого устройства активной приемопередащей антенны приведена на чертеже.

Активная приемопередающая антенна содержит транзистор 1, в базу которого подключены резисторы 2 и разомкнутый на конце отрезок линии 3 длиной Коллектор транзистора присоединен с излучателю 4. В эмиттер транзистора включены резисторы 5 и фазирующий конденсатор 6. Резисторы 2, 5 образуют цепь подачи питания на транзистор. Коллектор транзистора подключается к излучателю через отверстие в экране 7 и диэлектрике 8 в точку A излучателя 4. Точка A подключения коллектора находится на расстоянии λ_в/4 от точки О, лежащей в центре излучателя 4. Конденсаторы 9 включены между корпусом и общими точками соединения резисторов 2 и 5. На некотором расстоянии от устройства находится цель 10, входящая в зону действия активной приемопередающей антенны под углом α со скоростью На расстоянии λ_в/6, в точке В, через отверстие в диэлектрике и экране подключен диод 11; к выходному электроду диода подключен резистор 12 и конденсатор 13. К точке подключения диода 11 резистора 12 и конденсатора 13 подключается экранированный провод для подачи напряжения U_вых доплеровской частоты f_g на вход блока обработки.

Устройство работает следующим образом. При подаче питания E_п на транзистор 1 через резисторы 2, 5, определяющие режим работы транзистора по постоянному току, возникают электромагнитные колебания, частота которых определяется проводимостью коллектор - база транзистора, проводимостями разомкнутого на конце отрезка 3 и излучателя 4. Мощность генерации определяется выбором места подключения коллектора транзистора - точка А к излучателю и выбором величины (оптимальной) емкости фазирующего конденсатора 6. Полученная СВЧ - мощность излучается в пространство перед антенной за счет отражающих свойств экрана 7, отстоящего от излучателя на расстоянии, равном толщине диэлектрика 8. Распределение СВЧ-напряжения по поверхности излучателя таково, что в геометрическом центре излучателя имеется его нулевое значение, что позволяет соединить эту точку О проводником с экраном и таким образом подать питание на коллектор транзистора. Емкости конденсаторов 9 исключают возникновение низкочастотных колебаний и очищают спектр колебаний СВЧ - генератора.

Излученная в пространство СВЧ - мощность попадает на движущуюся цель 10 с радиальной скоростью Отраженный от цели сигнал приобретает доплеровский сдвиг по частоте где знак плюс берется при приближении цели к устройству, минус - при удалении от него; α - угол входа цели в зону действия приемопередающей антенны (угол между линией медианного значения диаграммы направленности в горизонтальной плоскости - плоскость - H и вектором скорости цели) и принимается излучателем приемопередающей антенны. К точке В излучателя подключен электрод диода 11, режим которого по постоянному и переменному токам (автосмещение) определяется резистором 12 и конденсатором 13. Кроме сигнала из эфира, на диод 11 по диэлектрику 8 полосковой антенны поступает сигнал гетеродина с частотой равной частоте излучения. В результате преобразования частот гетеродина и принятого отраженного от цели сигнала на диоде 11, в спектре тока, текущего через диод, появляются составляющие с частотой Доплера - f_g. Выделенное напряжение U_вых доплеровской частоты подается на вход блока обработки сигнала.

Как показали эксперименты, максимальная мощность излучения (и гетеродина) реализуется при выборе точки подключения коллектора транзистора на расстоянии примерно равном λ_в/4 по направлению от центра полоскового прямоугольного излучателя перпендикулярно его широкой стороне. При этом частота генерации СВЧ - генератора определяется длиной отрезка 3, которая находится из уравнения баланса фаз генератора СВЧ Im(Z_к) + Im(Z_от) = 0, где Im(Z_от) - реактивная (мнимая) часть входного импеданса разомкнутого на конце отрезка 3.

Поскольку

то

откуда и следует аналитическое выражение для длины l отрезка 3.

Максимальное отношение сигнал/шум на выходе устройства (выход смесительного диода 11), при подключенном транзисторе 1 в найденную точку А на излучателе, получается при экспериментальном выборе местоположения точки В - точки подключения диода к излучателю. Экспериментально было найдено, что точка B должна размещаться на расстоянии примерно равном λ_в/6 по направлению от центра излучателя, противоположном точке А и перпендикулярно его широкой стороне. При этом наблюдаются минимальные выходные шумы смесительного диода при отсутствии движущихся целей в зоне обнаружения устройства.

В результате увеличения мощности излучения, уменьшения шумов на выходе смесительного диода и увеличения как следствие отношения сигнал/шум увеличивается дальность действия устройства.

Устройство реализуется на одной плате фольгированного СВЧ - диэлектрика, например на ФАФ - 4Д. При этом на одной стороне формируется излучатель, на другой - топология цепей включения активных приборов приемного (диода) и передающего (транзистора) каналов, чем достигается простота настройки устройства и простота его конструкции.

Формула изобретения

Активная приемопередающая антенна, содержащая излучатель, активные приборы передающего и приемного каналов, соединенные с излучателем и подключенные к нему в точках А и В соответственно, отличающаяся тем, что излучатель сделан прямоугольным и полосковым, точка А размещена на расстоянии, примерно равном λ_в/4, где λ_в - длина волны в диэлектрике, по направлению от центра излучателя перпендикулярно его широкой стороне, точка В размещена на расстоянии, примерно равном λ_в/6 по направлению от центра излучателя противоположном точке А и перпендикулярно его широкой стороне, а в базу транзистора - передающего активного прибора включен разомкнутый на конце отрезок линии длиной

где Z_о - волновое сопротивление отрезка линии;
Im(Z_к) - мнимая часть импеданса коллектор-база транзистора,
причем геометрический центр излучателя соединен с экраном, а коллектор транзистора присоединен к излучателю в точке А.

РИСУНКИ

Рисунок 1