ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ПОЕЗДНОЙ РАДИОСВЯЗИ

Полезная модель относится к мобильной поездной радиотелефонной связи, работающей в диапазоне 160 МГц.
Внедрение локомотивных фазированных антенных решеток (ФАР) в метровом диапазоне волн жестко ограничивается допустимыми габаритами конструктивных элементов антенных систем и фазирующих устройств.
Имеются различные фазированные антенные решетки для поездной радиосвязи, в частности, патент РФ №2216077 от 22.03.01 г. «Устройство мобильной фазированной антенной решетки повышения устойчивости и дальности поездной радиотелефонной связи». Устройство содержит антенную решетку из n-антенных вибраторов, n-1 дискретных фазовращателей, подключенных к вибраторам, схему управления фазовращателями и сумматор антенных сигналов. Выходы фазовращателей соединены со входами сумматора, а выход сумматора соединен со входом приемника поездной радиостанции. Фазовращатели выполнены на переключаемых отрезках линии передачи, что приводит к увеличению габаритных размеров ФАР и потерь вследствие использования 4-х pin-диодов на 1 разряд.
Наиболее близким является патент на полезную модель РФ №41551 от 11.06.2004 г. «Малоэлементная кольцевая фазированная антенная решетка», содержащая кольцевую решетку из антенных вибраторов и дискретных фазовращателей, подключенных к вибраторам, сумматор антенных сигналов и схему управления. В тракт питания каждого вибратора включены электрически управляемые отражательные фазовращатели на pin-диодах, выполненные в виде гибридных интегральных микросборок СВЧ с дискретами 22,5°, 45°, 90° и 180°. Управление разрядами отражательных фазовращателей для достижения максимального излучения в требуемом направлении осуществляется через стандартный LPT порт персонального компьютера с
использованием алгоритма сканирования диаграммы направленности с автоматическим выбором углового положения луча по максимальному уровню принимаемого полезного сигнала. Блок управления и антенная система малоэлементной кольцевой фазированной антенной решетки имеют приемлемые размеры для размещения на локомотивах, однако ширина формируемой диаграммы направленности в пределах от 90° до 120° не позволяет достичь более четырех эффективных ветвей углового разнесения в режиме адаптивной угловой селекции, что ограничивает возможности повышения качества поездной радиосвязи.
Предлагаемая фазированная антенная решетка также включает в себя антенные вибраторы, дискретные фазовращатели, сумматор-делитель антенных сигналов и схему управления.
Задача, решаемая при разработке данной полезной модели, заключалась в реализации схемы адаптивной антенной системы с шириной луча до 70° в диапазоне 160 МГц.
Техническим результатом полезной модели является повышение помехоустойчивости поездной радиосвязи путем формирования сравнительно узкой до 70° результирующей характеристики направленности.
Технический результат достигается тем, что фазированная антенная решетка включает три антенные кольцевые решетки, коммутируемые в подрешетки из двух колец с идентичным запитыванием соосно расположенных и равноудаленных пар антенных вибраторов, подключаемых через СВЧ-переключатели к выходам дискретных фазовращателей, входы которых соединены с выходами сумматора-делителя, при этом управляющие входы СВЧ-переключателей и фазовращателей соединены с выходами микропроцессорного блока управления.
Данный технический результат достигается и при расположении геометрических центров трех идентичных антенных кольцевых решеток в
вершинах равностороннего треугольника со сторонами - λ/2, где λ - длина электромагнитной волны.
Включение в фазированную антенную решетку трех антенных кольцевых решеток, коммутируемых в подрешетки из двух колец с идентичным запитыванием соосно расположенных и равноудаленных пар антенных вибраторов, обеспечивает формирование сравнительно узкой до 70° результирующей характеристики направленности с учетом эффекта, достигаемого линейной решеткой из двух синфазных вибраторов, расположенных на расстоянии λ/2, когда каждая из кольцевых решеток в связи с наличием индивидуального фазового центра может быть представлена в виде эквивалентного одиночного направленного излучателя.
Подключение пар антенных вибраторов через СВЧ-переключатели к выходам дискретных фазовращателей, входы которых соединены с выходами сумматора-делителя, при этом управляющие входы СВЧ-переключателей и фазовращателей соединены с выходами микропроцессорного блока управления, позволяет достичь шесть эффективных ветвей углового разнесения при ширине луча 70°, что повышает помехоустойчивость поездной радиосвязи.
Оптимальный результат работы фазированной антенной решетки обеспечивается при расположении геометрических центров трех идентичных антенных кольцевых решеток в вершинах равностороннего треугольника со сторонами λ/2, где λ - длина электромагнитной волны.
Заявляемая модель поясняется с помощью чертежа, где на фиг.1 представлена структурная схема фазированной антенной решетки.
Фазированная антенная решетка поездной радиосвязи (см. фиг.1) содержит кольцевые решетки 1, 2, 3, каждая из которых состоит из трех антенных вибраторов a1, b1, c1; a2, b2, с2 и а3, b3, с3. Кольцевые решетки 1, 2, 3 равноудалены друг от друга на расстояние d=λ/2, где λ - длина электромагнитной волны. Вибраторы кольцевых решеток 1, 2, 3 через
СВЧ-переключатели 4, 5, 6 подключены к выходам дискретных фазовращателей 7, 8, 9. Время переключения дискретов - не более 1 мкс. Потери фазовращателей - не более 2,5 дБ. Дискретные фазовращатели 7, 8, 9 подключены к выходам сумматора-делителя 10, соединенного с радиостанцией 11, которая, в свою очередь, соединена с микропроцессорным блоком управления 12 (МПБУ) через аналого-цифровой преобразователь 13 (АЦП).
Управляющие входы СВЧ-переключателей 4, 5, 6 и фазовращателей 7, 8, 9 соединены с выходами микропроцессорного блока управления 12. Управление разрядами дискретных фазовращателей 7, 8, 9 для достижения максимального излучения в требуемом направлении осуществляется МПБУ 12 с использованием алгоритма сканирования диаграммы направленности с автоматическим выбором углового положения диаграммы луча по максимальному уровню принимаемого полезного сигнала, оцифрованное значение которого через аналого-цифровой преобразователь 13 передается в МПБУ 12.
Фазированная антенная решетка поездной радиосвязи работает следующим образом: управляющие сигналы от микропроцессорного блока управления 12 в соответствии с алгоритмом работы ФАР подаются на соответствующие СВЧ-переключатели, например, 4 и 6, для обеспечения запитывания вибраторов, например, а1 и а3 требуемой пары кольцевых антенных решеток 1 и 3. При этом запитывание вибраторов, например, а1 и а3, осуществляется через дискретный фазовращатель 7, на управляющие входы которого для достижения требуемого направленного излучения в одном из азимутальных углов (0°, 60°, 120°, 180°, ...) подаются управляющие сигналы от МПБУ 12. В режиме приема данная схема ФАР реализует с помощью алгоритма МПБУ 12 адаптивную угловую селекцию по максимальному уровню принимаемого сигнала с соответствующего направления формирования диаграммы направленности. При этом принятые вибраторами включенной пары кольцевых решеток радиосигналы через сумматор-делитель 10 поступают на антенный вход радиостанции 11, с низкочастотного выхода которого
принятые сигналы через АЦП 13 поступает в МПБУ 12 для анализа и принятия очередного решения в соответствии с алгоритмом автовыбора углового положения луча.
Заявляемая фазированная антенная решетка поездной радиосвязи имеет небольшие габаритные размеры, приемлемые для размещения на локомотивах, и обеспечивает повышение помехоустойчивости поездной радиосвязи путем формирования сравнительно узкой до 70° результирующей характеристики направленности.