ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА


RU (11) 2117369 (13) C1

(51) 6 H01Q21/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.01.2008 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 97112960/09 
(22) Дата подачи заявки: 1997.07.22 
(45) Опубликовано: 1998.08.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2080712 C1, 27.05.97. RU 94031192 A1, 20.06.96. RU 2000635 C, 07.09.93. US 5233361 П, 03.08.93. US 4937585 A, 26.06.90. US 5181042 A, 19.01.93. WO 95/28013 A1, 19.10.95. EP 0301580 A2, 01.02.89. EP 0504842 A1, 23.09.92. 
(71) Заявитель(и): Военная академия связи 
(72) Автор(ы): Быков В.Г.; Павлов Б.А.; Самуйлов И.Н.; Фитенко Н.Г.; Чернолес В.П.; Артамошин А.Д. 
(73) Патентообладатель(и): Товарищество с ограниченной ответственностью "ФАРКОМ"; Военная академия связи 

(54) 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. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



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 LM. ПМ 2 установлены в пределах прямоугольника со сторонами Lp, ограничивающего апертуру ФАР. Формы ПМ 2 и прямоугольника, ограничивающего апертуру ФАР, подобны. Коэффициент подобия, т.е. отношение Lp/Lm, 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 Lm 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 lt 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 Lp, ограничивающего апертуру ФАР, выбирается из условия Lp = 1min, где 1min - 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 Lp, 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: Lp = 50 м; Lm = 14 м; Lt = 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.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru