ВСЕНАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА СО СПЕЦИАЛЬНОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ
OMNIDIRECTIONAL ANTENNA SYSTEM WITH SPECIAL DIRECTION PATTERN

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах радионавигации летательных аппаратов гражданской авиации.
Известны всенаправленные в горизонтальной плоскости антенны, формирующие на излучение и прием косекансную диаграмму направленности в вертикальной плоскости (см., например, Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1975, с 127-129, 272-283, 352-353). Недостатком указанных антенн является сложность построения схемы питания для обеспечения низкой величины неравномерности в горизонтальной плоскости и формирования ДН специальной формы в вертикальной плоскости.
Наиболее близким аналогом изобретения является всенаправленная антенная система (авторское свидетельство СССР №1771022, 23.10.1992 г.), состоящая из вертикальной опоры с поперечным размером (0,18-0,24)λ (где λ - длина волны), на которой установлены первый и второй плоские рефлекторы, закрепленные на опоре своими вертикальными кромками и параллельно смещенные относительно плоскости симметрии опоры. На вертикальной опоре размещаются N излучателей, состоящих из первого и второго волнового шунтового вибратора, каждый из которых установлен на соответствующем плоском рефлекторе симметрично относительно оси симметрии вертикальной опоры в горизонтальной плоскости таким образом, что расстояние между центрами волновых симметричных вибраторов равно (0,5-0,6)λ. Вибраторы разделены двумя экранами, установленными в плоскости, проходящей через ось вертикальной опоры. Каждый экран выполнен в виде двух рамок, соединенных между собой замыкателем. Вертикальные стороны рамок, равные длине плеча вибратора, отстоят от вертикальной опоры на расстояние (0,2-0,35)λ. Путем смещения замыкателя вдоль горизонтальных сторон рамок осуществляется настройка ДН в горизонтальной плоскости. При этом неравномерность ДН не превышает ±3 дБ в горизонтальной плоскости.
Недостатком данной конструкции является большая величина неравномерности ДН в горизонтальной плоскости, необходимость настройки ДН в горизонтальной плоскости для минимизации величины неравномерности с помощью перемещения замыкателей, а также размер излучателей вдоль оси вертикальной опоры, равный длине волны, что исключает возможность размещения излучателей вдоль оси опоры с шагом менее длины волны и затрудняет формирование ДН специальной формы (в частности, косекансной) в вертикальной плоскости. Значительная величина неравномерности ДН в горизонтальной плоскости приводит к тому, что граница зоны обзора системы радионавигации летательных аппаратов гражданской авиации, оснащенной данной антенной системой, также приобретает неравномерность в горизонтальной плоскости, что крайне нежелательно, а необходимость настройки приводит к увеличению стоимости производства антенных систем.
Техническим результатом изобретения является уменьшение неравномерности ДН в горизонтальной плоскости, отсутствие настройки при обеспечении минимального значения неравномерности ДН и обеспечение возможности формирования ДН специальной формы в вертикальной плоскости, в частности косекансной.
Технические результат достигается за счет того, что всенаправленная антенная система состоит из вертикальной опоры поперечным размером (0,18-0,25) длины волны с установленными на ней двумя рефлекторами и N (где N - целое число) одинаковых излучателей, при этом вертикальная опора выполнена в виде полой металлической колонны, N одинаковых излучателей выполнены в виде сдвоенных конформных излучателей, а два рефлектора непрерывны вдоль всей длины полой металлической колонны, и каждый из N сдвоенных конформных излучателей, размещенных вдоль колонны на расстоянии около половины длины волны, состоит из двух конформных полосковых излучателей, помещенных на противоположных сторонах полой металлической колонны, повторяющих форму ее поперечного сечения и соединенных с помощью согласователя с делителем на два направления, при этом боковые грани конформных полосковых излучателей имеют прямоугольные вырезы, а выходы делителя сигналов на N направлений, помещенного внутри колонны, соединены со входами N делителей на два направления, подключенных к каждому из двух конформных полосковых излучателей.
Использование предлагаемого технического решения обеспечивает формирование всенаправленной ДН в горизонтальной плоскости и возможность формирования ДН специальной формы (в частности, косекансной) в вертикальной плоскости при улучшении технологичности производства и уменьшении стоимости.
На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемой антенной системы.
На фиг. 2 показана конструкция сдвоенного конформного излучателя, имеющего круглую форму в поперечном сечении.
На фиг. 3 показано сечение сдвоенного конформного излучателя, имеющего круглую форму, в плоскости, перпендикулярной оси металлической колонны.
На фиг. 4 показана конструкция сдвоенного конформного излучателя 1, имеющего многогранную форму в поперечном сечении.
На фиг. 5 показано сечение сдвоенного конформного излучателя 1, имеющего многогранную форму, в плоскости, перпендикулярной оси металлической колонны.
На фиг. 6 показана конструкция антенной системы, состоящей из N сдвоенных конформных излучателей 1.
На Фиг. 7 показана структурная схема антенной системы с N сдвоенными конформными излучателями и верхним излучателем круговой поляризации.
На Фиг. 8 показана конструкция антенной системы с N сдвоенными конформными излучателями 1 и верхним излучателем круговой поляризации.
На Фиг. 9 показана конструкция верхнего излучателя круговой поляризации, а именно его вид в направлении, перпендикулярном оси металлической колонны.
На Фиг. 10 показана конструкция верхнего излучателя круговой поляризации, а именно его вид сверху в направлении оси металлической колонны.
На Фиг. 11 показана диаграмма направленности заявляемой антенной системы, состоящей из 16-ти сдвоенных конформных излучателей, показанной на Фиг. 10, в вертикальной плоскости.
На Фиг. 12 показана диаграмма направленности заявляемой антенной системы, состоящей из 16-ти сдвоенных конформных излучателей, показанной на Фиг. 10, в горизонтальной плоскости.
На Фиг. 13 показана диаграмма направленности заявляемой антенной системы, состоящей из четырех сдвоенных конформных излучателей и верхнего излучателя круговой поляризации, в вертикальной плоскости.
Согласно фиг. 1 сдвоенный конформный излучатель (1) состоит из двух конформных полосковых излучателей (2) с двумя согласователями (3). Делители на два направления (4), подводят сигнал к каждому из двух конформных полосковых излучателей (2). Делитель сигнала на N направлений (5) распределяет сигнал от входа (6) между N входами каждого из N сдвоенных конформных излучателей (1). N делителей на два направления (4) и делитель на N направлений (5) располагается внутри полой металлической колонны (7). Согласователи (3) могут быть выполнены ступенчатыми.
Согласно фиг. 2 сдвоенный конформный излучатель (1) круглой формы в поперечном сечении состоит из двух конформных полосковых излучателей (2), представляющих собой сегменты металлического цилиндра, располагающиеся на диэлектрической подложке (9). Диэлектрическая подложка (9) закрепляется на полой цилиндрической металлической колонне (7). Конформные полосковые излучатели (2) имеют прямоугольные вырезы (8) на сторонах, параллельных оси металлической колонны (7), которые уменьшают размеры излучателей. Полая металлическая колонна (7) имеет два рефлектора (10), непрерывных вдоль всей длины металлической колонны (7) и расположенных на ее диаметрально противоположных сторонах.
Согласно фиг. 3 два согласователя (3), представляющие собой металлические цилиндры либо пластины переменного сечения, расположенные перпендикулярно поверхности диэлектрической колонны (7) и проходящие через предусмотренные в ней пазы, соединяют два конформных полосковых излучателя (2) с выходами делителя на два направления (4), представляющим собой печатную плату и расположенным внутри полой металлической колонны (7). Делитель на два направления (4) соединяется с соответствующим выходом делителя на N направлений (5), также расположенным внутри полой металлической колонны (7).
На фиг. 4 сдвоенный конформный излучатель (1) многогранной формы в поперечном сечении состоит из двух конформных полосковых излучателей (2), представляющих собой две изогнутые металлические пластины, профиль изгиба которых повторяет профиль полой металлической колонны (7). На сторонах конформных полосковых излучателей (2), ориентированных вдоль оси металлической колонны (7), имеются прямоугольные вырезы (8). Полая металлическая колонна (7) имеет многогранную форму. Два рефлектора (10) расположены вдоль двух ее противоположных граней.
Согласно фиг. 5 конформные полосковые излучатели (2) располагаются над поверхностью полой металлической колонны (7) на диэлектрических стойках (11). Два согласователя (3), представляющие собой металлические пластины переменного сечения, соединяют через пазы в полой металлической колонне (7) конформные полосковые излучатели (2) с выходами делителя на два направления (4), расположенного внутри металлической колонны (7). Делитель на два направления (4) соединяется с соответствующим выходом делителя на N направлений (5), также расположенным внутри полой металлической колонны (7).
Согласно фиг. 6 N сдвоенных конформных излучателей (1) расположены с шагом λ/2 вдоль полой металлической колонны (7), имеющей два рефлектора (10), расположенных на диаметрально противоположных сторонах колонны и проходящих вдоль всей ее длины. Внутри полой металлической колонны (7) располагается делитель сигнала на N направлений (5), N выводов которого соединены с N входами делителей на два направления (4). Выходы N делителей на два направления (4) соединены с входами N сдвоенных конформных излучателей (1).
Согласно фиг. 7 показаны N сдвоенных конформных излучателей (1), состоящих из двух конформных полосковых излучателей (2) со ступенчатыми согласователями (3), N делителей на 2 направления (4), которые попарно соединяют конформные полосковые излучатели (2), и делитель сигнала на N+1 направлений (12) распределяет сигнал от входа антенной системы (6) между N входами каждого из N делителей на два направления (4) и входом верхнего излучателя круговой поляризации (13). Делитель на N+1 направлений (12) и N делителей на два направлений находятся внутри полой металлической колонны (7).
Согласно фиг. 8 N сдвоенных конформных излучателей (1) расположены с шагом λ/2 вдоль полой металлической колонны (7), имеющей два рефлектора (10), расположенных на диаметрально противоположных сторонах указанной колонны (7) и проходящих вдоль всей ее длины. Излучатель круговой поляризации (13) расположен на торце полой металлической колонны (7) таким образом, что его ось совпадает с осью полой металлической колонны (7). Внутри указанной колонны (7) располагается делитель сигнала на N+1 направлений (12), N выводов которого соединены с N входами делителей на два направления (4), один из выходов соединен со входом излучателя круговой поляризации (13). Выходы N делителей на два направления (4) соединены с входами N сдвоенных конформных излучателей (1).
На Фиг. 9 показана конструкция верхнего излучателя круговой поляризации (13), а именно его вид в направлении, перпендикулярном оси металлической колонны (7). Показаны печатная плата (14), диэлектрические стойки (15), металлическое основание (16), короткозамкнутая симметричная полосковая линия (17), штырь (18) и вход излучателя круговой поляризации (19). Печатная плата (14) с помощью диэлектрических стоек (15) присоединяется к металлическому основанию (16), представляющему собой круглую металлическую пластину. Короткозамкнутая симметричная полосковая линия (17) соединяется с входом излучателя круговой поляризации (19) и проходит через прямоугольное отверстие в печатной плате (14). Короткозамкнутая симметричная полосковая линия (17) представляет собой три параллельных металлических пластины, на одной стороне соединенные между собой перпендикулярной им пластиной. Противоположной стороной центральная пластина соединена с входом излучателя круговой поляризации (19), а две другие пластины соединены с металлическим основанием (16). Штырь (18) соединяет две соседние пластины короткозамкнутой симметричной полосковой линии (17) и расположен перпендикулярно им.
На Фиг. 10 показана конструкция верхнего излучателя круговой поляризации (13), а именно его вид сверху в направлении оси полой металлической колонны (7). На печатной плате (14) расположены два ортогональных печатных вибратора (20), соединенных с внешними пластинами короткозамкнутой симметричной полосковой линии (17). На концах вибратора имеются емкостные законцовки (21), представляющие собой прямоугольные элементы топологии платы.
Антенная система, показанная на фиг. 1-6, работает следующим образом. Поданный на вход антенной системы (6) сигнал делится с помощью делителя на N каналов (5), реализующего необходимое для формирования ДН специальной формы (в частности, косекансной) амплитудно-фазовое распределение, между его выходами. С выходов делителя на N каналов (5) сигнал поступает на входы N делителей на два направления (4) и синфазно с равной амплитудой делится между двумя конформными полосковыми излучателями (2) каждого из N сдвоенных конформных излучателей (1). Таким образом, вдоль оси полой металлической колонны (7) N сдвоенных конформных излучателей (1) возбуждаются в соответствии с амплитудно-фазовым распределением, необходимым для реализации косекансной ДН в вертикальной плоскости. При этом конформные полосковые излучатели (2) каждого из N сдвоенных конформных излучателей (1) возбуждаются с одинаковой амплитудой и фазой, что необходимо для обеспечения равномерной ДН в горизонтальной плоскости. Конформный полосковый излучатель (2), представляющий собой полосковую антенну и имеющий длину (0,33-0,43)λ, возбуждается с помощью согласователя (3), предназначенного для согласования входного сопротивления конформного полоскового излучателя (2) с выходами делителей на 2 направления (4). Уменьшение размера конформного полоскового излучателя (2) по высоте металлической колонны (7) достигается за счет увеличения его электрической длины с помощью вырезов (8) на кромке конформного полоскового излучателя (2). Уменьшенный по сравнению с наиболее близким аналогом размер конформного полоскового излучателя (2) создает возможность размещения их в решетке с шагом около 0,5λ, что позволяет уменьшить уровень боковых лепестков ДН в вертикальной плоскости. Равномерность излучения в горизонтальной плоскости обеспечивается двумя рефлекторами (10), которые играют роль экранов. Два идентичных конформных полосковых излучателя (2) в отдельности имеют максимум ДН в горизонтальной плоскости, направленный по нормали к поверхности излучателя. При объединении двух идентичных конформных полосковых излучателей (2) в один сдвоенный конформный излучатель (1), в случае отсутствия ребер жесткости - рефлекторов (10), максимум ДН будет направлен по нормали (ось Y) к оси (ось X), соединяющей фазовые центры конформных полосковых излучателей (2) (см. фиг. 5). Для выравнивания излучения в направлении оси Y и оси X необходимо уменьшить уровень излучения каждого из конформных полосковых излучателей (2) в направлении оси Y. Другими словами, надо уменьшить ширину ДН одиночного конформного полоскового излучателя (2) в горизонтальной плоскости. Одновременно необходимо уменьшить уровень заднего излучения. Указанные задачи выполняют два рефлектора (10), которые вместе с полой металлической колонной (7) играют роль экрана. Чем больше их размер по оси Y, тем больше сужается ДН одиночного конформного полоскового излучателя (2) и тем меньше становится заднее излучение одиночного конформного полоскового излучателя (2). Оптимальный выбор размера рефлекторов (10) по оси Y обеспечивает неравномерность ДН в горизонтальной плоскости не более 0.3 дБ. При этом отсутствует необходимость настройки ДН в горизонтальной плоскости для каждого экземпляра антенной системы. Помимо этого, рефлекторы (10) являются ребрами жесткости для полой металлической колонны (7).
ДН антенной системы, состоящей из 16-ти сдвоенных конформных излучателей (1), в вертикальной плоскости показана на фиг. 11. Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности составляет 8,3 градуса, уровень боковых лепестков в направлении земли не превышает минус 22 дБ, уровень диаграммы направленности в направлении нормали к оси антенной системы составляет минус 4,5 дБ. Коэффициент усиления составляет 9,3 дБ.
Диаграмма направленности антенной системы, состоящей из 16-ти сдвоенных конформных излучателей (1), в горизонтальной плоскости показана на фиг. 12. Использование в конструкции антенной системы конформного полоскового излучателя (2) длиной всего около 0.43λ позволяет разместить сдвоенные конформные излучатели (1) в решетке с шагом около 0,5λ, что в свою очередь позволяет сформировать косекансную ДН в вертикальной плоскости с низким уровнем боковых лепестков. Неравномерность ДН в горизонтальной плоскости не превышает 0,24 дБ, что существенно меньше, чем у наиболее близкого аналога.
Предлагаемая антенная система также позволяет ликвидировать так называемую «воронку» в ДН в направлении оси металлической колонны (см. фиг. 11 - углы от 55 градусов до 90 градусов от плоскости Земли). Для увеличения уровня ДН в области углов, близких к оси металлической колонны, предлагаемый вариант антенной системы дополняется излучателем круговой поляризации (13), установленным в верхней части антенной системы.
Работает верхний излучатель круговой поляризации (13), показанный на фиг. 9-10, следующим образом. Сигнал, поступающий на вход излучателя круговой поляризации (19), возбуждает волну в короткозамкнутой симметричной полосковой линии (17), которая создает токи на штыре (18). Поле, создаваемое токами на штыре (18), возбуждает ортогональные печатные вибраторы (20), расположенные на печатной плате (14). Емкостные законцовки (21) ортогональных вибраторов (20) позволяют уменьшить их длину, что в свою очередь позволяет уменьшить размеры печатной платы (14). Ортогональные печатные вибраторы (20) возбуждаются со сдвигом по фазе, поскольку имеют различную длину. При определенной разнице длин ортогональных печатных вибраторов (20) обеспечивается сдвиг фаз их возбуждения равный 90°, вследствие чего указанные вибраторы излучают волну круговой поляризации.
Антенная система с верхним излучателем круговой поляризации, показанная на фиг. 7-8, работает следующим образом. Сигнал, поступающий на вход антенной системы (6), с помощью делителя на N+1 направление (12) распределяется между N делителями на два направления (4) и верхним излучателем круговой поляризации (13) в соответствии с заданным амплитудно-фазовым распределением. N делителей на два направления (4) распределяют сигнал синфазно и с равной амплитудой между двумя конформными полосковыми излучателями (2) каждого из N сдвоенных конформных излучателей (1). Таким образом, вдоль оси полой металлической колонны (7) N сдвоенных конформных излучателей (1) возбуждаются в соответствии с амплитудно-фазовым распределением, необходимым для реализации ДН специальной формы (в частности, косекансной) в вертикальной плоскости. При этом конформные полосковые излучатели (2) каждого из N сдвоенных конформных излучателей (1) возбуждаются с одинаковой амплитудой и фазой, что необходимо для обеспечения равномерной ДН в горизонтальной плоскости. Амплитуда сигнала, подаваемая на верхний излучатель круговой поляризации (13) с помощью делителя на N+1 направлений (12), составляет от минус 15 дБ до минус 20 дБ амплитуды входного сигнала, что увеличивает уровень ДН антенной системы в направлении оси полой металлической колонны (7) уровня не менее минус 22 дБ от максимума. Наличие верхнего излучателя круговой поляризации (13) позволяет исключить зависимость уровня принимаемого им сигнала от поляризации падающей волны.
ДН предлагаемой антенной системы с верхним излучателем круговой поляризации с количеством сдвоенных конформных излучателей, равных четырем, в вертикальной плоскости показана на фиг. 13. Ширина ДН по уровню половинной мощности составляет 27,9 градуса, а уровень боковых лепестков в направлении земли не превышает минус 18,8 дБ. Уровень ДН в направлении нормали к оси антенной системы составляет минус 2,9 дБ, уровень ДН в направлении оси антенной системы составляет минус 18,3 дБ. Коэффициент усиления составляет 5,1 дБ. Неравномерность ДН в горизонтальной плоскости не превышает 0,5 дБ, что существенно меньше, чем у наиболее близкого аналога.
Предлагаемый вариант антенной системы с верхним излучателем круговой поляризации позволяет увеличить рабочий сектор антенной системы с 50 градусов до 90 градусов, доведя его до вертикального направления вдоль оси металлической колонны. Так антенная система, состоящая всего из 4-х сдвоенных конформных излучателей с верхним пятым излучателем круговой поляризации, высотой всего 0,9 м имеет рабочий сектор 90 градусов при максимальном коэффициентом усиления не менее 5,1 дБ.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет уменьшить неравномерность ДН в горизонтальной плоскости, что приводит к улучшению равномерности зоны обзора в азимутальной плоскости, например, системы навигации гражданской авиации, оснащенной антенной. При этом повышается стабильность работы системы навигации на предельной дальности, снижается стоимость ее изготовления ввиду отсутствия необходимости настройки антенной системы для получения требуемых характеристик.