Сверхширокополосная антенна

Авторы патента:

Борисов Евгений Геннадьевич (RU)

Головачев Михаил Владимирович (RU)

Кочетов Александр Викторович (RU)

Миронов Олег Сергеевич (RU)

H01Q21/24 - комбинированные конструкции из антенных узлов, поляризованных в различных направлениях с целью передачи или приема волн с круговой или эллиптической поляризацией или же волн, линейно поляризованных в любом направлении

Владельцы патента RU 2431224:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-западный государственный заочный технический университет" (СЗТУ) (RU)

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к сверхширокополосным антеннам, и может найти применение в системах радиосвязи и радиолокации. Техническим результатом является создание сверхширокополосной антенны круговой поляризации, на основе антенны Вивальди, обеспечивающей излучение и прием сверхширокополосных сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности, способной:

- работать в режиме излучения и формировать в пространстве сверхширокополосный сверхкороткий импульс круговой поляризации, распространяющийся в заданном широком секторе угловых направлений;

- принимать в широком секторе угловых направлений сверхширокополосный сверхкороткий импульс круговой поляризации и передавать его в фидерную линию. Устройство содержит основной и два дополнительных излучателя Вивальди, расположенных под углом 120° к основному, и делитель сигналов. На основной излучатель сигнал подают напрямую, на первый дополнительный излучатель - с задержкой на Δt, а на второй дополнительный излучатель сигнал подают с задержкой по сравнению с первым дополнительным излучателем, равной 2Δt, причем время Δt равно трети длительности входного импульса. 7 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к сверхширокополосным антеннам, и может найти применение в системах радиосвязи и радиолокации.

Известна сверхширокополосная антенна круговой поляризации (Патент №2206160. «Сверхширокополосная антенна круговой поляризации». МПК H01Q 21/24), которая формирует поле излучения круговой поляризации в сверхширокой полосе частот. Недостатком данной антенны является формирование поля круговой поляризации в малом секторе угловых направлений.

Наиболее близким по технической сущности техническим решением - прототипом является антенна Вивальди (Е.Gazit, Improved design of the Vivaldi antenna, in IEE Proc., Vol.135, Pt. H, No.2, April 1988, pp.89-92), содержащая излучатель Вивальди, расположенный в виде металлизированных лепестков на диэлектрической подложке, которая излучает сверхширокополосный сигнал в широком секторе угловых направлений. При этом форма излучателя Вивальди может варьироваться. Интенсивное излучение происходит из активной области, которая расположена между лепестками.

Недостатком прототипа является невозможность формирования поляризации, отличной от линейной.

Таким образом, известная сверхширокополосная антенна не обеспечивает излучение и прием в широкой полосе частот и в широком секторе угловых направлений волн круговой поляризации.

Изобретение направлено на создание сверхширокополосной антенны круговой поляризации, на основе антенны Вивальди, обеспечивающей излучение и прием сверхширокополосных сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности, способной:

- принимать в широком секторе угловых направлений сверхширокополосный сверхкороткий импульс круговой поляризации и передавать его в фидерную линию.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Заявляемая сверхширокополосная антенна в дополнение к основному (опорному) излучателю Вивальди содержит два дополнительных излучателя Вивальди, каждый из которых расположен под углом 120° к основному излучателю. При этом, сигнал подается на излучатели через делитель на три направления. На первый (опорный) излучатель сигнал подается напрямую; на первый дополнительный излучатель сигнал подается с задержкой относительно опорного на определенное время Δt, равное трети длительности входного импульса; сигнал, подаваемый на второй дополнительный излучатель, задержан на удвоенное время по сравнению с первым дополнительным излучателем, равное 2Δt. Вход делителя сигналов является входом антенны.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема сверхширокополосной антенны:

1 - основной излучатель Вивальди;

2 - первый дополнительный излучатель Вивальди;

3 - второй дополнительный излучатель Вивальди;

4 - делитель сигналов;

5 - первый выход делителя сигналов;

6 - второй выход делителя сигналов;

7 - третий выход делителя сигналов;

8 - линия задержки на время Δt;

9 - линия задержки на время 2Δt.

На фиг.2 представлен общий вид антенны, где:

1 - основной излучатель Вивальди;

2 - первый дополнительный излучатель Вивальди;

3 - второй дополнительный излучатель Вивальди;

8 - линия задержки на время Δt;

9 - линия задержки на время 2Δt.

На фиг.3 показано взаимное расположение излучателей Вивальди:

1 - основной излучатель Вивальди;

2 - первый дополнительный излучатель Вивальди;

3 - второй дополнительный излучатель Вивальди.

На фиг.4. представлена конструкция линий задержки:

8 - линия задержки на время Δt;

9 - линия задержки на время 2Δt;

10 - первый вход линии задержки;

11 - второй вход линии задержки;

12 - третий вход линии задержки.

На фиг 4,а) показаны линии задержки в разрезе, на фиг.4,б) показан вид со стороны излучателей.

На фиг.5 изображен импульс напряжения, поступающий на вход делителя сигналов.

На фиг.6 показаны временные зависимости поля в дальней зоне в зависимости от угла φ: φ=0, φ=15°, φ=30° и т.д. с шагом 15 градусов до 180 градусов.

На фиг.7 приведена итоговая поляризационная диаграмма.

Сверхширокополосная антенна работает следующим образом.

На вход делителя сигналов 4 поступает импульс напряжения (фиг.5)

где U_m - амплитуда импульса;

τ - длительность импульса;

t - время.

Входной импульс делится в делителе сигналов 4 на три импульса поровну и без отражения. Импульс с первого выхода 5 делителя сигналов 4 попадает на вход основного излучателя Вивальди 1, который излучает его в свободное пространство. На первый дополнительный излучатель Вивальди 2 импульс попадает со второго выхода 6 делителя сигналов 4 и предварительно проходит линию задержки 8 на время Δt=τ/3 (треть длительности входного импульса). В свою очередь он излучает в пространство импульс линейной поляризации, задержанный относительно первого и повернутый относительно него на угол 120°. На второй дополнительный излучатель Вивальди 3 импульс попадает с третьего выхода 7 делителя сигналов после прохождения двойной линии задержки на две трети длительности импульса. Таким образом, на третий излучатель импульс попадет с задержкой 2Δt=2τ/3 и излучается в свободное пространство повернутым на угол 120° относительно второго и на 240° относительно первого.

Для анализа поляризационных свойств заявляемой антенны рассмотрим процесс излучения импульсных СШП сигналов, поступающих на вход излучателей Вивальди со своими задержками.

Описание процесса излучения электромагнитной волны антенной, возбуждаемой импульсным СШП сигналом, наталкивается на определенные трудности, связанные с тем, что сам СШП импульс действует на входе антенны конечное время. Поэтому процесс излучения электромагнитных волн такой антенной следует описывать при помощи математического аппарата метода конечных разностей во временной области. Описание метода конечных разностей во временной области приведено в [Kunz Karl S., Luebbers Raymond J. The Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics, CRC Press, 1993].

Для анализа СШП антенн и устройств СВЧ, работающих в нестационарном режиме, наиболее целесообразно использовать программу численного электромагнитного моделирования на основе метода конечных разностей во временной области (FDTD - Finite Difference Time Domain). Такой программой является XFDTD (фирмы Remcom) - это система полного трехмерного электромагнитного моделирования, обладающая интуитивным графическим пользовательским интерфейсом подготовки расчетов и представления результатов.

В результате электромагнитного моделирования СШП антенн и устройств СВЧ программа XFDTD предоставляет возможность получить "временные реализации" сигналов в некоторых точках свободного пространства (дальней зоне).

Полученные в результате электромагнитного моделирования СШП антенны данные, должны быть обработаны с использованием пакета математических программ. В качестве такового была выбрана программа MathCAD.

Для анализа поляризационных свойств заявляемой антенны необходимо исследовать временные зависимости электрического поля в дальней зоне в зависимости от угла φ. Угол φ отсчитывается по часовой стрелке от положительного полюса основного излучателя Вивальди 1.

Моделирование данной антенны в редакторе XFDTD дает следующие результаты в дальней зоне в зависимости от угла φ (фиг.6). На фиг.6 показаны временные зависимости поля в дальней зоне в зависимости от угла φ: φ=0, φ=15°, φ=30° и т.д. с шагом 15 градусов до 180 градусов.

Поляризационная диаграмма строится следующим образом. Берутся две временные зависимости электрического поля в дальней зоне при углах φ, отличающихся на 90°, например, theta0(t) и theta90(t) (см фиг.6). Для этих двух зависимостей вычисляется временная зависимость огибающей по формуле

Для вычисления огибающей А15(t) нужно, аналогично, взять зависимости theta15(t) и theta105(t) и т.д.

Откладывая полученные временные зависимости огибающих при соответствующих значениях угла φ на одном трехмерном графике, получаем итоговую поляризационную диаграмму фиг.7. Коэффициент эллиптичности определяется путем произведения среза на полученной поляризационной диаграмме в момент t_среза, когда значение A(t_среза, φ) максимально.

Для заявляемой антенны коэффициент эллиптичности, вычисленный указанным выше способом, оказался равным 0,82, что позволяет сделать вывод, что рассматриваемая антенна имеет возможность передавать и принимать в широком секторе угловых направлений сверхширокополосный сверхкороткий импульс круговой поляризации.

Сверхширокополосная антенна на основе излучателя Вивальди, отличающаяся тем, что в дополнение к основному (опорному) излучателю Вивальди содержит два дополнительных излучателя Вивальди, каждый из которых расположен под углом 120° к основному излучателю, и делитель сигнала, сигнал на излучатели подается через делитель сигнала, при этом на основной излучатель сигнал подается напрямую, на первый дополнительный излучатель сигнал подается с задержкой относительно основного излучателя на время Δt, тогда как сигнал, подаваемый на второй дополнительный излучатель, задержан на удвоенное время по сравнению с первым дополнительным излучателем, равное 2Δt, причем время Δt равно трети длительности входного импульса.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антеннам, в частности к микрополосковым антеннам для применения в системах GPS и GNSS. .

Универсальная поляризационная зигзагообразная антенна // 2399126

Изобретение относится к области радиотехники. .

Двойная зигзагообразная антенна // 2395878

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в составе радиотехнических устройств для телевидения, радиовещания и радиосвязи в ОВЧ и УВЧ диапазонах.

Антенна // 2393597

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах с сигналами с круговой и линейной поляризациями. .

Антенная система // 2391751

Изобретение относится к антенным системам радиолокационных станций (РЛС) малогабаритного/миниатюрного исполнения с непрерывным режимом излучения. .

Компактная микрополосковая антенна без использования диэлектрика (варианты) // 2390890

Изобретение относится к антеннами и, в частности, к микрополосковым антеннам (МПА). .

Зигзагообразная антенна // 2365003

Двухполяризационная антенна // 2356143

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования, в частности, в качестве приемной или передающей антенны для радиосвязи на коротких волнах. .

Малогабаритная антенная система проходного типа (варианты) // 2297081

Изобретение относится к проходным фазированным антенным решеткам (ФАР) СВЧ-диапазона с электрическим сканированием луча и может быть использовано при проектировании ФАР, работающих на круговой поляризации поля и у которых размер апертуры в одной плоскости в 2-3 раза меньше размера апертуры в другой плоскости.

Печатная антенна с питанием от коммутационного поля печатной платы // 2295809

Изобретение относится к печатным антеннам с двойной поляризацией с питанием от расположенного на печатной плате коммутационного поля. .

Направленная универсальная поляризационная зигзагообразная антенна // 2474017

Изобретение относится к области радиотехники

Устройство для получения переключаемой поляризации сигнала // 2474936

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано на базовых станциях сети сотовой радиосвязи для обеспечения излучения сигнала с переключаемой поляризацией, а именно: возможностью установки линейной вертикальной поляризации, линейной горизонтальной поляризации или круговой поляризации правого или левого вращения, при использовании штатных антенн базовых станций с кросс-поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией

Компактный у3ел возбуждения для создания круговой поляризации в антенне и способ получения такого компактного узла возбуждения // 2511488

Изобретение относится к устройству создания круговой поляризации в антенне. Технический результат - снижение омических потерь и упрощение конструкции устройства. Компактный узел возбуждения для создания круговой поляризации в антенне содержит разделительный ортомодовый преобразователь и ответвитель, при этом ортомодовый преобразователь, называемый ОМТ, является асимметричным и содержит основной волновод квадратного или круглого сечения с продольной осью ZZ' и две ветви, соединенные с основным волноводом соответственно двумя щелями параллельного соединения, при этом обе соединительные щели выполнены в двух ортогональных стенках основного волновода, при этом обе ветви ОМТ связаны соответственно с двумя волноводами неуравновешенного ответвителя, при этом ответвитель имеет два разных коэффициента деления (α, β), оптимизированные таким образом, чтобы компенсировать ортогональные паразитные составляющие (δу, δх) электрического поля, возникающие из-за асимметрии ОМТ. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 13 ил.

Антенная система // 2514143

Изобретение относится к радиотехнике. Техническим результатом является обеспечение автоматической настройки антенной системы на вертикальную поляризацию при произвольной пространственной ориентации самой антенной системы. Антенная система содержит три электрических или три магнитных антенны с взаимно ортогональной поляризацией по осям X, Y и Z, три умножителя, сумматор, три балансных модулятора и трехосевой акселерометр, приемные выходы антенн соединены по одному с первыми входами умножителей, выходы умножителей соединены по одному с отдельными входами сумматора, выход сумматора является приемным выходом антенной системы, передающий вход антенной системы связан с первыми входами балансных модуляторов, выходы балансных модуляторов связаны по одному с передающими входами антенн, оси чувствительности акселерометра x, у и z параллельны осям поляризации антенн X, Y и Z, соответственно, выходы акселерометра по осям x, у и z связаны по одному со вторыми входами умножителей и балансных модуляторов, связанных с антеннами, поляризованными по осям X, Y и Z, соответственно. Векторы поляризации антенной системы на передачу и на прием автоматически настраиваются по вертикали, независимо от пространственной ориентации самой антенной системы, чем достигается согласованная поляризация антенных систем приемника и передатчика, разнесенных в горизонтальной плоскости. 1 ил.

Антенна // 2530242

Изобретение относится к области антенно-фидерных устройств и может быть использовано, например, в качестве направленной двухполяризационной антенны с ортогональными поляризациями в дециметровом диапазоне волн. Технический результат - расширение рабочего диапазона широт, увеличение коэффициента направленного действия и коэффициента усиления при уменьшении габаритных размеров. Антенна, содержащая квадратную металлическую пластину, расположенную над металлическим экраном параллельно ему, отличающаяся тем, что в середине сторон квадратной металлической пластины выполнены прорези, перпендикулярные ее сторонам, меньшие по длине, чем половина длины стороны квадратной металлической пластины, к противолежащим прорезям синфазно присоединены два отрезка равной длины коаксиального кабеля, соединенные параллельно в центральной области квадратной металлической пластины, к их общей точке присоединен входной кабель, проходящий к металлическому экрану через центр квадратной металлической пластины, причем высота установки квадратной металлической пластины над металлическим экраном лежит в пределах до половины ее стороны. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство возбуждения квадратного волновода // 2634334

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к элементам и узлам СВЧ-трактов антенн с круговой поляризацией поля излучения, и может быть использовано для возбуждения волноводных поляризационных секций квадратного поперечного сечения. Устройство содержит плавный волноводный переход от прямоугольного поперечного сечения к квадратному поперечному сечению, вход которого соединен с прямоугольным волноводом, при этом стороны поперечного сечения прямоугольного волновода повернуты на 45° относительно сторон поперечного сечения выхода плавного волноводного перехода. В прямоугольном волноводе введены короткозамыкатель (короткозамыкающая стенка) и металлические пластины, каждая из которых установлена в центре соответствующей широкой стенки прямоугольного волновода, при этом симметрично относительно продольной оси. В плавном волноводном переходе симметрично относительно продольной оси размещены металлические гребни с изменяющимся зазором между ними, при этом в одном из металлических гребней, в плоскости сочленения плавного перехода и волновода с прямоугольным поперечным сечением, расположена коаксиальная линия, центральный проводник которой удлинен в зазор между металлическими гребнями и соединен с другим гребнем, при этом металлические пластины и гребни лежат в одной плоскости продольного сечения всего устройства возбуждения квадратного волновода. Технический результат заключается в уменьшении габаритных размеров устройства возбуждения и в подавлении высших типов волн в нем. 2 ил.

Треугольно-дуговая антенна круговой поляризации милкина-калитёнкова // 2640095

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для работы на радиолиниях систем дальней связи, в беспроводных сетях, в системах телеуправления и навигации. Антенна содержит четыре изогнутых вибратора. Вибраторы расположены попарно над экраном во взаимно ортогональных плоскостях. Каждый вибратор выполнен в виде половины скобы и имеет линейный участок и изогнутый участок. Изогнутые участки замкнуты на экран. Линейные участки параллельны экрану, их концы расположены вблизи центра антенны и возбуждены равноамплитудно с прогрессивным 90°-м сдвигом по фазе. Длина вибраторов антенны не менее 0,25 средней длины волны. Параллельно экрану перед вибраторами во взаимно ортогональных плоскостях расположены линейные директоры длиной 0,4 средней длины волны. Концы линейных директоров кондуктивно соединены проводниками длиной 0,3 средней длины волны с точками возбуждения вибраторов. Между вибраторами и линейными директорами параллельно плоскости экрана установлен кольцевой директор с центром на оси антенны. Длина окружности кольцевого директора равна средней длине волны. Технический результат заключается в повышении коэффициента усиления, упрощении устройства питания, обеспечении работы в режимах круговой и линейной поляризаций с более высоким качеством согласования и меньшей эллиптичностью круговой поляризации. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.