Подземная фазированная антенная решетка

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве приемной и/или передающей подземной фазированной антенной решетки (ПФАР). Техническим результатом является создание ПФАР, обеспечивающей широкополосную работу в УКВ и КВ-диапазонах, повышение эффективности и снижение площади апертуры ПФАР. ПФАР состоит из шести плоских элементов (ПЭ) 1, размещенных попарно симметрично относительно центра апертуры ПФАР на ее диагоналях. Каждый ПЭ 1 состоит из пары радиальных излучателей (РИ) и пары тангенциальных излучателей 3 (ТИ). РИ 2 и ТИ 3 установлены ортогонально. РИ 2 выполнены в форме равносторонних треугольников, а ТИ 3 - в форме четырехугольников с неравными углами при вершинах. РИ 2 и ТИ 3 с помощью отрезков 5, 6 коаксиального кабеля (ОКК) подключены к фидерному тракту 7. Излучатели, относящиеся к ПЭ 1, расположенным на противолежащих концах одной диагонали апертуры ПФАР, запитаны противофазно. Экранные оболочки ОКК 5 и 6 в центре апертуры электрически соединены и заземлены. Фазирование излучателей в данном азимутальном направлении достигается подключением к фидерному тракту соответствующих РИ 2 и ТИ 3 программно. 1 з.п.ф-лы, 19 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике и, в частности, заявляемая подземная фазированная антенная решетка (ПФАР) может использоваться в качестве приемной или передающей для работы в коротковолновом (KB) и ультракоротковолновом (УКВ) диапазонах с управляемой диаграммой направленности (ДН).

Заявляемая ПФАР расширяет арсенал технических средств данного назначения.

Известны фазированные антенные решетки см., например, свидетельство на полезную модель РФ N 531, МПК H 01 Q 21/00, 1994 г.; пат. РФ N 2080712, МПК H 01 Q 21/00, опубл. 25.05.97 г. Указанные аналоги выполнены в виде группы плоских элементов (ПЭ), каждый из которых включает две ортогональные пары излучателей. ПЭ установлены компланарно и подключены к независимым трактам питания: низкочастотному (н. ч. ) и высокочастотному (в.ч.). Ортогональные пары излучателей запитаны независимо.

Однако известные аналоги обладают неравномерной ДН из-за отсутствия азимутальной симметрии конструкции. Необходимость использования двух трактов питания для обеспечения широкополосной работы усложняет конструкцию и удорожает ее себестоимость.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является подземная ФАР по пат. РФ N 2133531, МПК H 01 Q 21/00, опубл. 20.07.99 г. Известная ФАР состоит из группы плоских элементов, каждый из которых состоит из двух ортогональных пар плоских излучателей. ПЭ установлены попарно симметрично относительно центрального ПЭ. Центральный ПЭ подключен к фидерному тракту н.ч. поддиапазона, остальные ПЭ - к фидерному тракту в.ч. поддиапазона. Все излучатели выполнены равновеликими по площади и размещены компланарно в пределах полупроводящей среды (например, в Земле). Внешние концы излучателей во всех ПЭ соединены короткозамыкающими (к.з.) проводниками. Излучатели выполнены в форме четырехугольников, симметричных относительно их продольной оси с неравными углами при вершинах, лежащих на этой оси. Ось симметрии одной из пар излучателей в каждом ПЭ совпадает с диагональю апертуры ФАР.

Излучатели центрального ПЭ подключены к фидерному тракту н.ч. поддиапазона, остальные - к фидерному тракту в.ч. поддиапазона. Ортогональные пары излучателей в каждом ПЭ запитаны независимо.

При такой схеме обеспечивается идентичность ДН во всех азимутальных направлениях при фазировании излучателей в различных азимутальных направлениях.

Однако ФАР-прототип имеет недостатки: - относительно невысокую эффективность (коэффициент усиления - КУ) из-за необходимости при заданной площади апертуры ФАР использования электрически коротких излучателей; - большую площадь апертуры ФАР и необходимость использования двух фидерных трактов (для в.ч. и н.ч. поддиапазонов), что усложняет конструкцию и повышает ее себестоимость при строительстве.

Целью изобретения является разработка подземной ФАР, обладающей более высокой эффективностью, при одновременном снижении площади ее апертуры и обеспечении широкополосной работы от одного фидерного тракта.

Поставленная цель достигается тем, что в известной подземной фазированной антенной решетке (ПФАР), содержащей группу плоских элементов (ПЭ), установленных попарно симметрично относительно центра апертуры ПФАР, каждый ПЭ состоит из двух ортогональных пар равновеликих по площади излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды, внешние концы излучателей в каждом плоском элементе соединены между собой к.з. проводниками, а излучатели, принадлежащие примыкающим друг к другу ПЭ, электрически соединены, концы излучателей в центре каждого ПЭ подключены к фидерному тракту, причем ортогональные пары излучателей в каждом ПЭ запитаны независимо.

Ось симметрии первой пары излучателей в каждом ПЭ ориентирована вдоль диагонали апертуры ПФАР (радиальные излучатели), а каждый излучатель второй пары (тангенциальные излучатели) выполнен в форме четырехугольников, симметричных относительно их продольной оси и с отличающимися углами α и β при вершинах, лежащих на этой оси, ПФАР состоит из шести ПЭ. В каждом ПЭ излучатели первой пары выполнены в форме равносторонних треугольников. Одна из вершин каждого треугольного излучателя примыкает к центру ПЭ. Углы α и β при вершинах излучателей второй пары выбраны равными α = 60° и β = 120° Первая и вторая пары излучателей каждого ПЭ подключены к соответствующему кабелю фидерного тракта с помощью дополнительно введенных отрезков коаксиального кабеля. Каждый отрезок коаксиального кабеля установлен между примыкающими концами соответствующей пары излучателей и центром апертуры ПФАР. В каждом ПЭ отрезок коаксиального кабеля, подключенный к первой паре излучателей, уложен вдоль оси их симметрии, а подключенный к его второй паре излучателей уложен вдоль оси симметрии одного из излучателей этой пары и диагонали ПФАР, проходящей через периферийную вершину этого же излучателя. Отрезки коаксиального кабеля, подключенные к ортогональным парам излучателей, во всех ПЭ ориентированы одинаково. Экранные оболочки всех отрезков коаксиального кабеля в центре апертуры ПФАР электрически соединены между собой. Коаксиальные кабели фидерного тракта размещены под плоскостью апертуры ПФАР и ориентированы вдоль диагоналей ПФАР, проходящих через точки электрического соединения излучателей, принадлежащих примыкающим друг к другу ПЭ.

Разность длин Δl отрезков коаксиального кабеля, подключенных к ортогональным парам излучателей в каждом ПЭ, выбрана из условия где L - размер стороны излучателя, выполненного в форме равностороннего треугольника; ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического наполнителя отрезков коаксиального кабеля, с помощью которых излучатели подключены к коаксиальным кабелям фидерного тракта. Излучатели, принадлежащие ПЭ, расположенным на противолежащих концах одной диагонали ПФАР, запитаны противофазно.

При такой совокупности признаков достигается минимизация площади апертуры ПФАР и одновременно увеличение эффективности ее излучателей за счет формирования вдоль каждой диагонали ПФАР общего излучателя с двумя вынесенными точками возбуждения. Форма излучателей и порядок подключения к излучателям ПЭ введенных отрезков коаксиальных кабелей упрощает процесс фазирования излучателей при формировании ДН в заданном азимутальном направлении.

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".

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны: на фиг. 1 - общая схема ПФАР; на фиг. 2 - структура плоского элемента; на фиг. 3 - узел соединения отрезков коаксиального кабеля с кабелями фидерного тракта; на фиг. 4 - рисунки, поясняющие принцип работы ПФАР; на фиг. 5 - структурная схема фидерного тракта; на фиг. 6 - вариант реализации переключателя; на фиг. 7 - вариант схемы коммутатора;
на фиг. 8 - схема инвертора;
на фиг. 9 - вариант построения линии задержки;
на фиг. 10 - схема сумматора;
на фиг. 11 - рисунок, поясняющий работу ПФАР;
на фиг. 12 - рисунки, поясняющие принцип фазирования;
на фиг. 13, 14 - результаты измерения КБВ и расчетные ДН ПФАР.

Заявленная подземная фазированная антенная решетка, показанная на фиг. 1, состоит из шести ПЭ 1, каждый из которых включает две ортогональные пары излучателей: первая пара - радиальные излучатели 2, вторая пара - тангенциальные излучатели 3. Оси симметрии радиальных излучателей 2 совпадают с диагоналями апертуры ПФАР. Оси симметрии тангенциальных излучателей 3 перпендикулярны осям симметрии радиальных излучателей 2 в каждом ПЭ 1. Радиальные излучатели (РИ) 2 выполнены в форме равносторонних треугольников, одной из вершин примыкающих к центру ПЭ 1 и установленных симметрично относительно соответствующей диагонали апертуры ПФАР. Тангенциальные излучатели (ТИ) 3 выполнены в форме четырехугольника, симметричного относительно его продольной оси, и отличающимися углами α = 60° и β = 120° при вершинах, лежащих на этой оси. Вершина с углом α = 60° примыкает к центру ПЭ 1. Внешние концы РИ 2 и ТИ 3 в каждом ПЭ 1 соединены к.з. проводниками 4 (см. также фиг. 2). Концы РИ 2 и ТИ 3, относящиеся к примыкающим друг к другу ПЭ 1, электрически соединены (точки "а").

В центре каждого ПЭ 1 РИ 2 и ТИ 3 с помощью отрезков коаксиального кабеля, соответственно 5 и 6, подключены к соответствующим кабелям 7, 7' фидерного тракта. Позицией 7 обозначена совокупность (по числу ПЭ 1) кабелей, подключенных к РИ 2, позицией 7' - к ТИ 3. Отрезки 5 коаксиального кабеля длиной l_р (см. фиг. 4 а) от центра каждого ПЭ 1 уложены вдоль оси симметрии РИ 2 до центра апертуры ПФАР. Отрезки 6 коаксиального кабеля длиной l_т уложены от центра каждого ПЭ 1 вдоль оси симметрии одного из ТИ 3 и диагонали апертуры ПФАР, проходящей через периферийную вершину этого же ТИ 3.

Во всех ПЭ 1 отрезки коаксиального кабеля 5 и 6, подключенные к излучателям 2 и 3, ориентированы одинаково. В центре апертуры ПФАР экранные оболочки всех отрезков коаксиального кабеля 5 и 6 электрически соединены и заземлены. Вариант соединения экранных оболочек отрезков коаксиального кабеля 5 и 6 показан на фиг. 3 - экранные оболочки соединены с помощью проводников 8 и заземлены в точке "к".

Кабели 7 фидерного тракта, подключенные к РИ 2, расположены под апертурой ПФАР и ориентированы вдоль диагонали апертуры ПФАР (диагональ р-р'), проходящей через точку "а", в которой электрически соединены излучатели примыкающих друг к другу ПЭ 1. Аналогично уложены вдоль диагонали т-т' кабели 7' фидерного тракта, подключенные к ТИ 3.

Для достижения равной эффективности ортогональных плеч каждого ПЭ 1 излучатели 2 и 3 выполнены равновеликими по площади. При этом периметр каждого ПЭ 1 будет иметь форму равностороннего шестиугольника, для которого радиус описанной окружности равен длине L стороны РИ 2.

Излучатели 2 и 3 могут быть выполнены в виде сплошных металлических пластин или в виде радиально расходящихся от центра ПЭ 1 проводников. Отрезки коаксиальных кабелей 5 и 6 в центре ПЭ 1 подключены (см. фиг. 2) к соответствующей паре излучателей: экранной оболочкой к вершине одного излучателя (точки "в_т" и "в_р"), а центральным проводником - к вершине другого (точки "в'_т" и "в'_р").

При использовании заявленной ПФАР в качестве приемной фидерной тракт может быть построен по схеме, показанной на фиг. 5. Фидерный тракт состоит из трех пар переключателей 9, 9'. В каждой паре переключателей входы: переключателя 9 соединены с кабелями 7, 7', подключенных через отрезки кабелей 5 и 6 к РИ 2 и ТИ 3 нечетного ПЭ 1, а к входам переключателя 9' аналогично подключены РИ 2 и ТИ 3 противолежащего четного ПЭ 1. Например, к первой паре переключателей подключены излучатели 1-го и 4-го ПЭ 1, ко второй паре - излучатели 2-го и 5-го ПЭ 1, к третьей паре - излучатели 3-го и 6-го ПЭ 1 (см. фиг. 11). Переключатели 9, 9' предназначены для подключения к фидерному тракту либо радиальных, либо тангенциальных излучателей данного ПЭ 1, в зависимости от выбранного направления их фазирования. Переключатели 9, 9' представляют собой двухпозиционный переключатель (фиг. 6). Выходы переключателей 9, 9' каждой пары подключены к первому и второму входам соответствующего коммутатора 10.

Коммутаторы 10 предназначены для перекоммутации выходных сигналов от излучателей, принадлежащих ПЭ 1, расположенных на противоположных концах одной диагонали апертуры ПФАР, чем обеспечивается реверс ДН, т.е. изменение ориентации ее максимума на 180^o. Коммутатор 10 представляет собой двухконтактный двухпозиционный переключатель, показанный на фиг. 7. Первый выход коммутатора 10 подключен к первому входу инвертора 12. Второй выход коммутатора 10 через управляемую линию задержки 11 подключен к второму входу инвертора 12. Инвертор 12 предназначен для синфазного сложения противофазных сигналов от излучателей, принадлежащих ПЭ 1, находящимся на противоположных концах одной диагонали ПФАР. Инвертор 12 может быть выполнен в виде трансформатора (фиг. 8), выводы первичной обмотки которого являются входами инвертора 12. Первый вывод вторичной обмотки трансформатора является выходом инвертора 12, а второй вывод вторичной обмотки заземлен.

Управляемая линия задержки 11 предназначена для задержки сигнала, принятого соответствующим излучателем, с целью формирования максимума ДН в заданном направлении. Если заданное направление фазирования не требует задержки соответствующего сигнала, управляемая линия задержки 11 отключается. Такая линия задержки может быть реализована в виде отрезка коаксиальной линии (фиг. 9), снабженной замыкателем 11.1, положение которого определяется заданной программой фазирования.

Таким образом, фидерный тракт включает шесть переключателей 9 (по числу ПЭ 1) и по три коммутатора 10, управляемых линий задержки 11 и инверторов 12. Выходы инверторов 12 подключены к соответствующим входам сумматора 13, предназначенного для сложения сигналов от всех подключенных к фидерному тракту излучателей. Сумматор может быть выполнен по схеме трансформатора с тремя первичными и одной вторичной обмотками (фиг. 10), выход которой является выходом фидерного тракта и подключен к входу приемника.

Заявленная ПФАР работает следующим образом.

Пары излучателей 2 и 3, принадлежащих ПЭ 1, находящимся на противоположных концах одной из диагоналей (см. фиг. 4а), подключены к фидерному тракту противофазно и образуют совместно с отрезками 5 и 6 коаксиальных фидеров излучатели с вынесенными точками питания: фиг. 4б - для радиальных излучателей 2; на фиг. 4в - для тангенциальных излучателей 3. Из приведенных на фиг. 4б и 4в эпюр распределения амплитуд тока в низкочастотной (н.ч.) части диапазона (одиночная штриховка) следует, что в сравнении с прототипом (см. фиг. 4г и 4д) площадь тока у заявленного ПФАР значительно больше. Это, в свою очередь, указывает на большую действующую длину излучателей, т.е. их более высокую эффективность. В высокочастотной (в.ч.) части диапазона степень поглощения полупроводящей земли возрастает. При этом амплитуды тока точек возбуждения убывают вдоль проводников по экспоненциальному закону (на фиг. 4б, 4в показано двойной штриховкой). При этом части отрезков коаксиальных фидеров 5 и 6, на которых на в.ч. нет тока, не оказывают влияния на формирования поля излучения. Следовательно не будет искажений диаграмм направленности (ДН) и одновременно не будет ухудшаться качество согласования.

Выбранные формы излучателей 2 и 3 и форма ПЭ 1 обеспечивают формирование излучающей структуры, близкой к самодополнительной. Это обусловливает расширение диапазона рабочих частот ПФАР по согласованию, т.е. возможность ее работы в КВ и УКВ-диапазонах от одного фидерного тракта. Причем форма ПЭ 1 в виде правильных шестиугольников обеспечивает минимизацию максимального размера D апертуры ПФАР.

Фазирование излучателей в азимутальной плоскости в заявляемой ПФАР осуществляется через 60^o. Если направление с нулевым азимутальным углом принять совпадающим с диагональю апертуры ПФАР, на которой установлены первый и четвертый ПЭ 1 (см. фиг. 11), то фазирование излучателей происходит в азимутальных направлениях: 30, 90, 150, 210, 270, 330^o. Такая азимутальная градация достаточна для перекрытия полного азимутального угла в 360^o. Принцип фазирования иллюстрируется на фиг. 12. При приеме сигнала, приходящего с азимутального направления в 30^o (см. фиг. 12а и фиг. 11), в работе принимают участие радиальные излучатели, принадлежащие первому, второму, четвертому и пятому ПЭ 1. На фиг. 12а они обозначены соответственно РИ₁, РИ₂, РИ₄, РИ₅. Кроме них в работе участвуют тангенциальные излучатели ТИ₃ и ТИ₆, принадлежащие соответственно третьему и шестому ПЭ 1. Т.к. ПЭ 1, находящиеся на противоположных концах одной диагонали, запитаны противофазно, то направления токов в них противоположны (на фиг. 12а показаны сплошными стрелками). Синфазность их сложения обеспечивается соответствующим инвертором 12. После прохождения инвертора направления токов совпадают (на фиг. 12а показаны пунктиром). Кроме того, для достижения синфазности сложения сигналов от всех излучателей необходима компенсация разности фаз, обусловленной запаздыванием фронта волны к соответствующей паре излучателей. Из геометрии конструкции ПФАР видно, что фронт волны к ТИ₆ и ТИ₃ относительно РИ₁ и РИ₂ проходит в воздухе путь больший на величину 1,5L, а к РИ₅ и РИ₄ - на 3L.

Следовательно, фазовая задержка ΔΦ сигналов, принятых РИ₁ и РИ₂, должна составить ΔΦ = 3кL, где к = 2π/λ_o - волновое число; λ_o - длина волны принятого сигнала в свободном пространстве.

Такая задержка обеспечивается подключением в тракт соответствующего излучателя линии задержки 11, т.е. замыкатель 11.1 (см. фиг. 9) разомкнут. При этом длина отрезка коаксиального кабеля l_лз, из которого выполнена линия задержки, выбрана равной относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического наполнителя коаксиального кабеля. Задержка сигналов, принятых ТИ₆ и ТИ₃, обеспечивается автоматически за счет разницы Δl = l_т-l_p длин отрезков коаксиального кабеля 6 и 7. С этой целью разницу Δl выбирают из условия
На фиг. 5 фазосдвигающий элемент, обусловленный разницей длин l_т и l_р отрезков коаксиального кабеля, обозначен позицией 14. При изменении положения коммутаторов 10 происходит реверс ДН, т.е. ее максимум будет ориентирован в направлении азимутального угла 210^o.

Аналогичные процессы происходят при необходимости фазирования излучателей в направлении 90^o (см. фиг. 12б).

Положение переключателей 8, коммутаторов 10 и замыкателей 11.1 в зависимости от требуемого азимутального направления фазирования определяется по программе блоком управления фазированием (на фиг. 5 не показан).

Проверка качества согласования проведена на опытном образце ПФАР, предназначенном для работы в диапазоне от 1 МГц. Размеры элементов составили: D = 12 м; L = 2,31 м; l_р = 4 м; l_т = 7,21 м; l_лз = 6,41 м и выполнены из коаксиального кабеля марки SAT-703, имеющего волновое сопротивление ρ_Φ= 75 Ом и ε_r= 1,166. К. з. проводники 4 выполнены из стальных проводников диаметром 0,01 м, излучатели изготовлены из пластин оцинкованной жести толщиной 0,5 мм. Результаты экспериментальных измерений коэффициента бегущей волны (КБВ), показанные на фиг. 13, подтверждают возможность широкодиапазонной работы ПФАР (КБВ>0,4) при использовании одного фидерного тракта. Из экспериментальных измерений следует, что требуемое качество согласования (КБВ>0,4) обеспечивается при выполнении условия L/λ_max> 0,008, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн.

На фиг. 14 приведены рассчитанные ДН ПФАР в азимутальной плоскости. Благодаря возможности выбора соответствующих излучателей (за счет переключателей 8) и соответствующем их фазировании (подключением или отключением линий задержек 11, а также за счет выбранной разницы Δl длин отрезков 5, 6) обеспечивается возможность устойчивого приема сигналов в полном азимутальном угле при относительно высоком уровне коэффициента направленного действия,

Формула изобретения

1. Подземная фазированная антенная решетка, содержащая группу плоских элементов, установленных попарно симметрично относительно центра апертуры подземной фазированной антенной решетки, каждый плоский элемент состоит из двух ортогональных пар равновеликих по площади излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды, внешние концы излучателей в каждом плоском элементе соединены между собой короткозамкнутыми проводниками, а внешние концы излучателей, принадлежащих примыкающим друг к другу плоским элементам, электрически соединены, вершины излучателей в центре каждого плоского элемента подключены к фидерному тракту, причем ортогональные пары излучателей в каждом плоском элементе запитаны независимо, ось симметрии первой пары излучателей в каждом плоском элементе ориентирована вдоль диагонали апертуры подземной фазированной антенной решетки, а каждый излучатель второй пары выполнен в форме четырехугольника, симметричного относительно его продольной оси и с отличающимися углами α и β при вершинах, лежащих на этой оси, отличающаяся тем, что подземная фазированная антенная решетка состоит из шести плоских элементов, в каждом из которых излучатели первой пары выполнены в форме равносторонних треугольников, одна из вершин которых примыкает к центру плоского элемента, а у излучателей второй пары углы при вершинах, лежащих на продольной оси этих излучателей, выбраны равными α = 60° и β = 120°, ортогональные пары излучателей каждого плоского элемента подключены к соответствующему кабелю фидерного тракта с помощью отрезков коаксиального кабеля, в каждом плоском элементе отрезок коаксиального кабеля, подключенный к излучателям его первой пары, уложен вдоль их оси симметрии, а отрезок коаксиального кабеля, подключенный к излучателям его второй пары, уложен вдоль оси симметрии одного из излучателей этой пары и диагонали апертуры подземной антенной решетки, проходящей через периферийный конец этого же излучателя, причем отрезки коаксиального кабеля, подключенные к ортогональным парам излучателей, во всех плоских элементах ориентированы одинаково, экранные оболочки всех отрезков коаксиального кабеля электрически соединены между собой в центре апертуры подземной фазированной антенной решетки, а коаксиальные кабели фидерного тракта размещены под плоскостью апертуры подземной фазированной антенной решетки и ориентированы вдоль ее диагоналей, проходящих через точки электрического соединения излучателей, принадлежащих примыкающим друг к другу плоским элементам.

2. Подземная фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что разность длин Δ1 отрезков коаксиального кабеля, подключенных к ортогональным парам излучателей в каждом плоском элементе, выбрана из условия где L - сторона излучателя, выполненного в форме равностороннего треугольника, ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического наполнителя в отрезках коаксиального кабеля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14